CN101478234A - 一种开关电容式直流-直流变换器 - Google Patents

一种开关电容式直流-直流变换器 Download PDF

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严冬勤
赵梦恋
陈明阳
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Abstract

本发明提供一种开关电容式直流－直流变换器，包括一输出采样支路，一产生死区且输出多组与输入时钟相同频率时钟信号的死区控制模块，一接收死区控制模块发送的多组不交迭的时钟信号的开关电容阵列模块，一接收输出采样支路电压信号与基准电压信号的误差放大器以及一接收误差放大器的输出电压信号并输出相应频率时钟信号的压控振荡器，压控振荡器向死区控制模块发送时钟信号，所述时钟信号的频率变化与误差放大器的输出电压的变化成正比关系。该变换器输出电压纹波低，同时在整个负载范围内均具有高效率。

Description

一种开关电容式直流-直流变换器
技术领域
本发明涉及一种开关电容式直流-直流变换器。
背景技术
现在各式各样便携式电子设备正走向千家万户和各个工业应用领域。不论这些设备中用到怎样的电子器件和芯片，电源管理模块都必不可少，而且这些设备对其电源管理模块的要求也越来越高。通常，这些便携式设备，如手机、MP3/4和数码相机等，要求电源管理模块的体积小、电能转换效率高、输出纹波小、成本低，而且应用电路也要尽量简单。同时，便携式电子设备工作时所消耗的电流也非常不固定，其取决于设备的运行环境和状态(如MP4播放视频时功耗大，处于待机模式时功耗小)，因此一个好的电源管理模块需要能够适应变化范围比较大的负载电流。
电荷泵(即开关电容式直流-直流变换器)的输出电压大小与很多因素有关，为了使设备能够稳定的工作，通常要求电源管理模块对输出电压进行调制。目前常见的电荷泵调制技术有后调制技术、预调制技术、脉冲宽度调制技术以及脉冲跳跃频率调制技术。后调制技术又称为线性调制，是在电荷泵后面再串联一个LD0，通过LD0对输出电压进行调制。该技术可以有效控制输出电压纹波，降低输出噪声，但效率很低且需要额外的稳压模块；预调制技术通过调整开关的导通电阻Ron，实现对输出电压的调制，又被称为伪线性调制技术，其可以有效控制输出电压纹波，减小输出噪声，但由于环路的频率响应与Ron相关，因此当负载变化时，对环路的分析与补偿是个难题，设计比较复杂，且效率较低，尤其在轻载时，Ron较大，而开关频率不变；脉冲宽度调制技术，即PWM(Pulse Width Modulation)是通过控制每个周期给电容充电的时间比来实现对输出电压的调制，类似于电感型开关电源。但由于电容上充放电的电流在开关导通瞬间可以很大，且当电荷泵中RC时间常数较小时，电容将在很短的时间完成充放电。因此PWM技术对电容型开关电源的调制作用受到一定的限制，且由于开关频率的固定，其效率与线性调制技术相似。
采用脉冲跳跃频率调制技术的电荷泵结构示意图如图1所示，在电荷泵的电压输出端16连接有两个分压电阻组成的采样支路。一比较器17接收采样电压信号与基准电压信号15，向连接其输出端的逻辑电路18发送反馈信号。该逻辑电路18接收一时钟信号，并根据反馈信号向死区控制模块3发送控制信号。死区控制模块3接收控制信号，并产生多组不交迭的时钟信号，并将多组不交迭的时钟信号发送给开关电容阵列模块4。
比较器将17采样电压信号与基准电压信号15相比较，当采样电压信号大于基准电压时15，比较器放大器17给出一个截止的反馈信号，逻辑电路18根据该截止信号停止输出控制信号；当比较器17检测出采样电压信号低于基准电压15时，逻辑电路18继续发送控制信号。
采用脉冲跳跃频率调制技术是在需要向负载传递电荷时才启动电荷泵，其余时刻关闭电荷泵，仅由负载电容向负载供电。此方法提高了效率，但由于其工作频率不是连续的，有较大的输出纹波。
发明内容
本发明提供一种具有高效率且能自动调节工作频率的开关电容式直流-直流变换器，克服了因工作频率不连续导致产生较大输出纹波的技术问题。
本发明的变换器，包括一输出采样支路，一产生死区且输出多组与输入时钟相同频率时钟信号的死区控制模块，一接收死区控制模块发送的多组不交迭的时钟信号的开关电容阵列模块，一接收输出采样支路电压信号与基准电压信号的误差放大器以及一接收误差放大器的输出电压信号并输出相应频率时钟信号的压控振荡器，压控振荡器向死区控制模块发送时钟信号，所述时钟信号的频率变化与误差放大器的输出电压的变化成正比关系。
所述的压控振荡器包括一功率放大器，一比较器，一锁存器，第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管；所述的误差放大器的输出端连接功率放大器的正相端，功率放大器的输出端连接第一场效应管，第一场效应管的漏极连接一电阻，电阻的另一端接地，同时第一场效应管的漏极连接到功率放大管的负相端形成一负反馈，使第一场效应管中的电流与误差放大器的输出电压成正比；第二场效应管的源极与栅极分别连接到第一场效应管的源极与栅极，使得其中的电流始终与第一场效应管中的电流成一定比例，第二场效应管的漏极连接一电容的正端，电容的负端接地；比较器的正相端连接电容的正端，比较器的负相端连接基准电压，比较器的输出端连接第三场效应管的栅极和锁存器；第三场效应管的源漏极跨接在电容的两端，比较器的输出信号控制其导通或关断；锁存器根据比较器的的输出信号产生50％占空比的方波时钟信号。
所述误差放大器的输出电压增大方向与两输入端电压差值增大方向相反。
在误差放大器的采样电压信号输入端与输出端跨接有由电阻和电容串联组成的反馈支路。
本发明的优点是：
首先，本发明的开关电容式直流-直流变换器在整个负载范围内均具有高效率，电荷泵的功率损耗主要为两方面，一是开关的导通阻抗引起的损耗，等于开关导通时两端电压与流过电流的乘积，其中流过电流与负载电流成正比，二是给场效应开关管栅极与源漏极电容充放电的损耗，与开关频率成正比，本发明的开关电容式直流-直流变换器当负载变化k倍时，开关频率也变化k倍，但开关导通时两端电压差不改变，因此输出功率变化k倍，同时总的损耗(近似为开关导通损耗与充放电损耗之和)几乎也变化k倍，所以由转换效率＝输出功率/(输出功率+功率损耗)可以得到当负载变化时，电荷泵的效率几乎不变，因此，尤其在轻载条件下，本发明使电荷泵的效率比采用固定频率的线性调制模式电荷泵的效率要高很多；
其次，采用脉冲频率跳跃调制模式的电荷泵因为采样电压信号输入比较器，其工作频率是不连续的，产生较大的纹波，而本发明的电荷泵工作频率是连续的，因此具有更低的输出纹波，相当于将脉冲跳跃频率调制模式的电荷泵的开通与关断进行了时间上的平均分配，而这种平均化的效果使得本发明的输出电压纹波大幅度的降低；
最后，采用本发明的电路中只有一个反馈环路，设计的复杂度较低。
附图说明
图1是本发明变换器的结构示意图；
图2是本发明变换器的电路结构示意图；
图3是本发明的补偿网络频率响应的波特图；
图4是本发明的压控振荡器的电路结构示意图；
图5a是采用脉冲跳跃频率调制技术的电荷泵重载时的工作波形图；
图5b是采用脉冲跳跃频率调制技术的电荷泵轻载时的工作波形图；
图6a是本发明的变换器重载时的工作波形图；
图6b是本发明的变换器轻载时的工作波形图；
图7是在平均开关频率相同时的输出电压波形比较图。
具体实施方式
如图2所示的变换器，包括连接电压输出端16的由分压电阻13和分压电阻14组成的输出采样支路，一接收采样电压信号与基准电压信号15的误差放大器1，一接收误差放大器1的输出电压信号并输出相应频率时钟信号的压控振荡器2，一产生多组不交迭的时钟信号的死区控制模块3，一接收死区控制模块3发送的多组不交迭的时钟信号的开关电容阵列模块4。
在误差放大器1的采样电压信号输入端与输出端跨接有由电阻5和电容6串联组成的反馈支路。误差放大器1的输出电压增大方向与两输入端电压差值增大方向相反。误差放大器1、电阻5、电容6、分压电阻13和分压电阻14构成了一个补偿网络。
图3为补偿网络频率响应的波特图，其中3a为幅值-频率图，3b为相角-频率图。误差放大器主极点fp近似为0，直流增益为误差放大器的直流增益与反馈电阻分压比的乘积。较低频处存在一零点fz。另外，高频处存在一极点fpa，是由误差放大器1的主极点fp引入的，位于系统环路增益的带宽外较远处，避免其降低系统环路的相位裕度，同时利用其降低高频噪声。
该补偿网络使得系统环路在轻载时，增益迅速下降，同时零点的存在提供足够的相位裕度；重载时在保证环路稳定的同时很大的直流增益使静态误差近似为零。
如图4所示的压控振荡器2，包括一功率放大器7，一比较器8，一锁存器9，第一场效应管10、第二场效应管11和第三场效应管12。所述的误差放大器1的输出端连接功率放大器7的正相端，功率放大器7的输出端连接第一场效应管10，第一场效应管10的漏极连接一电阻，电阻的另一端接地，同时第一场效应管10的漏极连接到功率放大管7的负相端形成一负反馈，使电阻两端的电压等于误差放大器的输出电压，从而使电阻中流过的电流，也即第一场效应管10中流过的电流与误差放大器的输出电压成正比，第二场效应管11的源极与栅极分别连接到第一场效应管10的源极与栅极，使得流过其管中的电流始终与第一场效应管10中流过的电流成一定比例，即同样与误差放大器的输出电压成正比。第二场效应管11的漏极连接一电容的正端，电容的负端接地，比较器8的正相端连接电容的正端，比较器8的负相端连接基准电压，比较器8的输出端连接第三场效应管12的栅极和锁存器9，第三场效应管12的源漏极跨接在电容的两端。
压控振荡器2接收误差放大器1的输出电压信号，根据该输出信号的强弱产生相应频率的具有50％占空比的时钟信号。
死区控制模块3接收压控振荡器2发送的时钟信号，产生多组与该信号同频率的不交迭的时钟信号，防止开关电容阵列模块4中开关切换时出现短路。
本发明的死区控制模块3向开关电容阵列模块4发送的是连续的多组不交迭的时钟信号。根据压控振荡器2产生的可变频率的时钟信号，调制死区控制模块3产生与其同频率的多组时钟信号，进而控制开关电容阵列模块4中开关电容的开关频率。而采用脉冲跳跃频率调制技术的电荷泵，其逻辑电路利用固定频率的时钟信号产生时钟控制信号，通过反馈信号控制逻辑电路发送时钟控制信号或停止发送时钟控制信号，因而时钟控制信号不是连续的，使电荷泵在工作过程中有较大地纹波。
图5所示的为采用脉冲跳跃频率调制技术的电荷泵的工作波形图，其中，5a为重载时的工作波形，5b为轻载时的工作波形。图6所示的为本发明的开关电容式直流-直流变换器的工作波形图，其中6a为重载时的工作波形，6b为轻载时的工作波形。
图7所示的本发明的变换器输出波形与采用脉冲跳跃频率调制技术的电荷泵输出波形的比较。可以很明显的看出：
(1)脉冲跳跃频率调制模式的工作时钟是不连续的，负载的大小决定每段连续工作的时间与停止工作时间的比值(类似于脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)模式下的占空比)，而本发明的工作时钟信号是连续的所以每个时钟周期输出电压波形是相同的，负载的大小决定时钟频率的大小；
(2)从图7中可以看出脉冲跳跃频率调制模式下不同负载时输出电压的平均值(近似为峰峰值的中间值)差别较大，重载时比所设定的值要小一些，而轻载时比设定值大一些，所以其负载调整率比较差。而本发明的变换器，由于时钟的连续性以及闭环反馈作用，使得最终输出电压的平均值稳定在所设定的值，负载的影响可以忽略；
(3)从图7中可以明显看到当两者平均开关频率相同，即效率相同时，本发明的输出电压纹波要小得多。

Claims (4)

1、一种开关电容式直流-直流变换器，包括一输出采样支路，一产生死区且输出多组与输入时钟相同频率时钟信号的死区控制模块，一接收死区控制模块发送的多组不交迭的时钟信号的开关电容阵列模块，其特征在于：还包括一接收输出采样支路电压信号与基准电压信号的误差放大器以及一接收误差放大器的输出电压信号并输出相应频率时钟信号的压控振荡器，压控振荡器向死区控制模块发送时钟信号，所述时钟信号的频率变化与误差放大器的输出电压的变化成正比关系。
2、根据权利要求1所述的开关电容式直流-直流变换器，其特征在于：所述的压控振荡器包括一功率放大器，一比较器，一锁存器，第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管；所述的误差放大器的输出端连接功率放大器的正相端，功率放大器的输出端连接第一场效应管，第一场效应管的漏极连接一电阻，电阻的另一端接地，同时第一场效应管的漏极连接到功率放大管的负相端形成一负反馈，使第一场效应管中的电流与误差放大器的输出电压成正比；第二场效应管的源极与栅极分别连接到第一场效应管的源极与栅极，使得其中的电流始终与第一场效应管中的电流成一定比例，第二场效应管的漏极连接一电容的正端，电容的负端接地；比较器的正相端连接电容的正端，比较器的负相端连接基准电压，比较器的输出端连接第三场效应管的栅极和锁存器；第三场效应管的源漏极跨接在电容的两端，比较器的输出信号控制其导通或关断；锁存器根据比较器的的输出信号产生50％占空比的方波时钟信号。
3、根据权利要求1或2所述的开关电容式直流-直流变换器，其特征在于：所述误差放大器的输出电压增大方向与两输入端电压差值增大方向相反。
4、根据权利要求1所述的开关电容式直流-直流变换器，其特征在于：在误差放大器的采样电压信号输入端与输出端跨接有由电阻和电容串联组成的反馈支路。
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102468747A (zh) * 2010-11-19 2012-05-23 无锡芯朋微电子有限公司 一种电荷泵控制电路
CN102754321A (zh) * 2009-12-01 2012-10-24 天工方案公司 持续可变切换的电容器dc-dc电压转换器
US20120293254A1 (en) 2011-05-19 2012-11-22 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched dc-to-dc voltage converter
TWI458231B (zh) * 2012-10-26 2014-10-21 Acbel Polytech Inc To avoid the sleep mode output below the cut-off voltage of the power output stage circuit
WO2015172495A1 (zh) * 2014-05-16 2015-11-19 深圳市中兴微电子技术有限公司 一种补偿网络、开关电源电路及电路补偿方法
CN105553255A (zh) * 2016-01-28 2016-05-04 杨磊 一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法
CN105634266A (zh) * 2016-03-18 2016-06-01 深圳市华星光电技术有限公司 直流-直流转换器的控制电路
CN102754321B (zh) * 2009-12-01 2016-12-14 天工方案公司 持续可变切换的电容器dc-dc电压转换器
US9621034B2 (en) 2014-09-30 2017-04-11 Skyworks Solutions, Inc. Frequency modulation based voltage controller configuration
CN107707116A (zh) * 2016-08-09 2018-02-16 新唐科技股份有限公司 直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法
CN113484602A (zh) * 2021-08-20 2021-10-08 杭州朔天科技有限公司 一种超低功耗可编程电源电压检测电路

Cited By (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102754321A (zh) * 2009-12-01 2012-10-24 天工方案公司 持续可变切换的电容器dc-dc电压转换器
US10033277B2 (en) 2009-12-01 2018-07-24 Skyworks Solutions, Inc. Circuits and methods related to voltage converters
CN102754321B (zh) * 2009-12-01 2016-12-14 天工方案公司 持续可变切换的电容器dc-dc电压转换器
US9054575B2 (en) 2009-12-01 2015-06-09 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched capacitor DC-DC voltage converter
US9473019B2 (en) 2009-12-01 2016-10-18 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched capacitor DC-DC voltage converter
CN102468747A (zh) * 2010-11-19 2012-05-23 无锡芯朋微电子有限公司 一种电荷泵控制电路
US9136795B2 (en) 2011-05-19 2015-09-15 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched DC-to-DC voltage converter
US10038406B2 (en) 2011-05-19 2018-07-31 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched DC-to-DC voltage converter
US20120293254A1 (en) 2011-05-19 2012-11-22 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched dc-to-dc voltage converter
US9106183B2 (en) 2011-05-19 2015-08-11 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched DC-to-DC voltage converter
US9473073B2 (en) 2011-05-19 2016-10-18 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched DC-to-DC voltage converter
TWI458231B (zh) * 2012-10-26 2014-10-21 Acbel Polytech Inc To avoid the sleep mode output below the cut-off voltage of the power output stage circuit
US9876424B2 (en) 2014-05-16 2018-01-23 Sanechips Technology Co., Ltd. Compensation network, switching power supply circuit and circuit compensation method
WO2015172495A1 (zh) * 2014-05-16 2015-11-19 深圳市中兴微电子技术有限公司 一种补偿网络、开关电源电路及电路补偿方法
US9621034B2 (en) 2014-09-30 2017-04-11 Skyworks Solutions, Inc. Frequency modulation based voltage controller configuration
US9831765B2 (en) 2014-09-30 2017-11-28 Skyworks Solutions, Inc. Frequency modulation and pulse skipping mode voltage controller
US10199930B2 (en) 2014-09-30 2019-02-05 Skyworks Solutions, Inc. Frequency modulation based voltage controller configuration
US9912233B2 (en) 2014-09-30 2018-03-06 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched DC-to-DC voltage converter using pulse skipping mode and frequency modulation
CN105553255B (zh) * 2016-01-28 2017-11-28 杨磊 一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法
CN105553255A (zh) * 2016-01-28 2016-05-04 杨磊 一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法
US10177656B2 (en) 2016-03-18 2019-01-08 Shenzhen China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd Control circuit for DC-DC converter that includes differential amplifier and oscillator to fast reach desired output voltage
CN105634266B (zh) * 2016-03-18 2018-05-29 深圳市华星光电技术有限公司 直流-直流转换器的控制电路
CN105634266A (zh) * 2016-03-18 2016-06-01 深圳市华星光电技术有限公司 直流-直流转换器的控制电路
CN107707116A (zh) * 2016-08-09 2018-02-16 新唐科技股份有限公司 直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法
CN107707116B (zh) * 2016-08-09 2019-09-17 新唐科技股份有限公司 直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法
CN113484602A (zh) * 2021-08-20 2021-10-08 杭州朔天科技有限公司 一种超低功耗可编程电源电压检测电路
CN113484602B (zh) * 2021-08-20 2024-04-30 杭州朔天科技有限公司 一种超低功耗可编程电源电压检测电路

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