專利名稱：一種寬輸入范圍低紋波電荷泵降壓電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種電荷泵電源系統，尤其涉及ー種由遲滯比較器和中心頻率可配置壓控振蕩器組成的雙環控制電荷泵結構。
背景技術：
電源是一切電子系統的能量之源，電源轉換芯片主要有線性電壓調節器LD0、開關電源DC-DC和電荷泵三類。隨著S0C、生物芯片以及無線傳感芯片的發展，電子系統的發展朝著數字化、微型化、集成化的方向發展，對電源轉換芯片提出了新的要求。 線性電壓調節器LDO只能實現降壓，且壓差越大LDO的效率越低，這兩個缺點限制了 LDO的應用。開關電源DC-DC效率較高，紋波較小，驅動能力較強，可以實現升降壓，但使用電感作為能量傳輸元件。高品質電感エ藝復雜，體積較大，且需要復雜的補償網絡。電感還會引起較為嚴重的電磁干擾，使得在SOC等全集成領域的應用受限。與前兩者相比，電荷泵使用電容作為能量傳輸元件，具有升降壓功能，同時消除電感引起的電磁干擾，利于實現系統的全集成，符合當前技術的發展趨勢。電荷泵因增益模式數量受限制，因此各模式增益值相互離散，容易造成在特定的輸入電壓與輸出電壓無法找到最佳的增益模式，當輸入電壓大范圍變化或負載電流大范圍變化吋，電荷泵有限的増益模式帶來的輸入與輸出電壓不匹配的問題更加凸顯。一種傳統解決方法是增加電荷泵功率級增益模式的數量，如圖I。當輸出電壓恒定時，首先根據輸入電壓的大小由增益模式選擇電路確定電荷泵功率級增益，然后壓控振蕩器依據輸出電壓的變化進行相應的頻率變化，以控制輸出電壓穩定在所需電壓。這種控制方法的缺點在于，若通過增加增益模式的數量解決輸入輸出匹配問題，將使開關管的數量倍増，直接影響系統的高效率，同時使開關時序控制與死區控制更加復雜；其次，若通過增大壓控振蕩器的變頻范圍解決以上問題，壓控振蕩器變頻范圍的增加將使非線性效應更加明顯，難以實現對系統調節精度的提高。此外，數字脈寬調制也是ー種解決電荷泵模式不匹配問題的方法，如圖2，通過調節時鐘信號的占空比控制不完全充電或或不完全放電，等效改變輸入輸出電壓的關系。由于占空比調節方法需要數模轉換器、可編程補償器、數字脈寬電路等模塊，控制環路非常復雜，同時因不能實現占空比的連續調節，調節精度較低。 輸入輸出模式不匹配對電荷泵電路的靈活應用帶來不利影響，針對存在的不匹配問題以及上述傳統解決方案的不足和缺陷，本發明在電荷泵增益模式不變的情況下，通過自適應配置壓控振蕩器的中心頻率并調節其受控范圍，解決單ー寬變頻范圍下壓控振蕩器線性度降低而導致的系統性能下降問題。通過中心頻率切換解決以上問題的代價，僅僅需要増加ー個遲滯比較器、以及若干開關管與小的并聯調節電容。
發明內容
本發明的目的是解決由于電荷泵增益模式有限導致的輸入電壓與輸出電壓不匹配的問題，獲得一種寬輸入范圍低紋波的電荷泵降壓電路。本發明為實現上述目的，采用如下技術方案
本發明ー種寬輸入范圍低紋波電荷泵降壓電路 ，包括用于檢測輸入電壓以確定增益模式的増益模式選擇電路、對開關工作狀態進行控制的開關邏輯控制及死區控制電路、用于功率傳輸的電容陣列功率級電路、用于處理輸出電壓的誤差放大器和遲滯比較器和用于系統時鐘的壓控振蕩器，增益模式選擇電路和壓控振蕩器的輸出端分別接開關邏輯控制及死區控制電路的輸入端，開關邏輯控制及死區控制電路的輸出端串接電容陣列功率級電路后分別接誤差放大器的負輸入端和遲滯比較器的正輸入端，誤差放大器和遲滯比較器的輸出端分別接壓控振蕩器的輸入端。所述壓控振蕩器采用限流環形振蕩器，包括N個輸出級別，每ー級的輸出節點并聯CpC2兩個電容，其中C2串聯ー個NMOS開關管，NMOS開關管的柵極分別接遲滯比較器的輸出端。將振蕩器的整個調頻范圍進行分段，所產生的優點主要有提高了每段頻率范圍內的線性度；相對于在電荷泵中弓I入多增益模式、數字脈寬調制控制方式，本發明結構簡單易于實現，大大減小了器件數量，節省了芯片面積和功耗并保證了效率；減小了過沖時間；穩定了同一增益模式下隨著輸入電壓的變化而導致的輸出電壓的變化；可以適應輸入電壓的大范圍變化；改善了輕載下輸出電壓的抬高，同時由于振蕩器頻率的線性變化，系統紋波也得到改善。表I給出了發明結構與傳統結構的在相同狀態條件下性能對比，針對I. 2V固定電壓調節輸出，在增益模式、輸入電壓和負載電流相同的條件下，相比傳統結構，新型電路結構產生的輸出電壓中心值更為接近其理想值，中心值最大漂移由40mV降低到IOmV,輸出紋波最大值由40mV降低到30mV，且絕大部分的紋波可控制在20mV，兩段式頻率控制效果作用明顯，預期増加分段數將帶來性能更進ー步的提高。表I、單段與雙段頻率調制結果的性能對比
權利要求
1.一種寬輸入范圍低紋波電荷泵降壓電路，其特征在于包括用于檢測輸入電壓以確定增益模式的増益模式選擇電路、對開關工作狀態進行控制的開關邏輯控制及死區控制電路、用于功率傳輸的電容陣列功率級電路、用于處理輸出電壓的誤差放大器和遲滯比較器和用于系統時鐘的壓控振蕩器，增益模式選擇電路和壓控振蕩器的輸出端分別接開關邏輯控制及死區控制電路的輸入端，開關邏輯控制及死區控制電路的輸出端串接電容陣列功率級電路后分別接誤差放大器的負輸入端和遲滯比較器的正輸入端，誤差放大器和遲滯比較器的輸出端分別接壓控振蕩器的輸入端。
2.根據權利要求I所述的ー種寬輸入范圍低紋波電荷泵降壓電路，其特征在于所述壓控振蕩器采用限流環形振蕩器，包括N個輸出級別，每ー級的輸出節點并-C1X2兩個電容，其中C2串聯ー個NMOS開關管，NMOS開關管的柵極分別接遲滯比較器的輸出端。
全文摘要
本發明公布了一種寬輸入范圍低紋波電荷泵降壓電路，其特征在于包括用于檢測輸入電壓以確定增益模式的增益模式選擇電路、對開關工作狀態進行控制的開關邏輯控制及死區控制電路、用于功率傳輸的電容陣列功率級電路、用于處理輸出電壓的誤差放大器和遲滯比較器和用于系統時鐘的壓控振蕩器。本發明的電荷泵增加了由遲滯比較器和中心頻率可配置壓控振蕩器組成的控制環路，解決了電荷泵增益模式有限而導致的輸入電壓與輸出電壓的模式不匹配問題。通過頻率分段數量和覆蓋范圍的調節，可有效抑制電路輸出中心值隨負載變化的顯著漂移，同時降低輸出電壓的紋波大小，一定程度上緩解了多增益模式帶來的效率退化問題。
文檔編號H02M3/07GK102684481SQ20121016338
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者施金偉 申請人:蘇州脈科庫博環保科技有限公司