CN104410258A - 一种基于飞跨电容多步放电的电荷泵纹波抑制技术 - Google Patents

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Abstract

本发明针对电荷泵型DC-DC转换器，采用飞跨电容充电一次后，对负载放电分多次完成，从而使放电电流由一个大脉冲分解为多个小脉冲。同时，通过控制驱动驱动连接飞跨电容和负载的开关管栅极的波形的上升与下降沿的斜率，使开关缓慢闭合与断开，从而平滑每个放电电流脉冲，使放电电流近似趋向于负载电流，减少电荷堆积在负载电容上，从而达到减小输出电压纹波的目的。

Description

一种基于飞跨电容多步放电的电荷泵纹波抑制技术
技术领域：
本发明专利涵盖开关电容DC-DC转换器原理与纹波抑制技术。 
背景技术：
随着集成电路技术的不断发展，便携式移动终端的大量出现，尤其是近几年，智能手机、平板电脑、GPS等产品的普及，电子系统对供电电源也提出了更多的要求，例如：便携性、低功耗、输出稳定、高效率等，推动了便携式电子设备电源技术的发展。电子系统通常不能由电池或电源适配器为其直接供电，而需要一个电压调制器将不稳定的直流电压转换为稳定的系统供电电源。目前，DC-DC转换器主要分为两类：线性稳压器和开关电源调制器。线性稳压器具有低纹波、低噪声、设计简单等优点，广泛应用于对噪声敏感的场合，但其也有效率较低和只能实现降压等缺点。开关电源又分为电感型和电容型。其中，电感型开关电源储能元件为电感，优点是转换效率高，缺点是在输出端具有纹波干扰，并且有电磁干扰(EMI)问题；电容型(又称电荷泵型)开关电源使用电容作为储能元件，大大降低了EMI，转换效率也较高，缺点是输出端纹波噪声较大。 
模拟和射频电路对噪声敏感，通常采用线性稳压源供电，这虽然避免了电源的噪声干扰，但系统效率较低。传统电荷泵型DC-DC转换器效率较高、又没有EMI干扰，如果能解决其纹波噪声较大的问题，则可将电荷泵型DC-DC转换器应用于噪声敏感的模拟和射频电路，从而提高系统效率，这对便携系统尤其重要。 
为了降低纹波，一种方法是在电荷泵后串接一个线性稳压源，在输出稳压的同时，减小了纹波。由于这种方案中应用了效率较低的线性稳压源作为抑制纹波的滤波器，使整体效率较低。本发明提出了一种纹波抑制技术，在保证电荷泵开关电源效率的同时，减小了输出的纹波噪声，使开关电容型DC-DC转换器为模拟和射频电路供电成为可能。 
发明内容：
本发明针对电荷泵型开关电源在输出端纹波较大的不足，提出了一种通过使飞跨电容一次充电后分多次放电的方法减小输出纹波的技术，原理图见附图1。附图1的系统由开关电容阵列、误差放大器、多相时钟产生、以及状态控制等模块组成。虽然附图1中的系统对输出的调制采用了脉冲频率调制(PFM)，但本发明也可应用于其它类型的输出电压调制方式。 
传统电荷泵型开关电源中，作为开关的功率管的栅极受时钟信号高低电平控制，进入导通或者关断状态，从而控制电容的充放电。飞跨电容充电后进行放电时，会一次性地将电荷转移至负载。在飞跨电容充放电转换的瞬间，由于开关两端的压差较大，开关功率管中会产生较大的放电电流；而在接近放电结束时，开关两端的压差接近零电压，因而放电电流接近为零，从而此形成脉冲型的放电电流。此脉冲放电电流与负载电流的差值将会注入到负载电容上，从而引起较大的输出电压纹波。 
为了解决这个问题，本发明将传统方法的飞跨电容充电后一次性放电改为一次充电后分n次(n为大于1的整数)放电，即将一个大的放电电流脉冲分解成n个小的充电电流脉冲， 从而减小电流脉冲的峰值。波形发生器驱动N型和P型开关功率管的原理图分别如附图2和附图3所示。 
此外，将传统电荷泵中对连接飞跨电容与负载的开关的驱动信号由方波改为上升沿和下降沿的斜率分别受到控制的波形。附图4和附图5分别为驱动N型开关和P型开关的波形示意图(图中一次充电对应3次放电，实施过程中可为大于1的其它值)。驱动波形由低电压VL变到高电压VH的上升沿(对高电压导通的N型开关而言，如附图4；如驱动P型开关则为下降沿，如附图5)由不同斜率的两段折线组成，其中第一段折线上升(或下降)快，第二段上升(或下降)慢，目的是使控制电压快速达到开关管的阈值电压VTH_N(或VTH_P)，然后使开关管导通电阻缓慢减小，以补偿飞跨电容随着放电时间增加放电电流减小的效应，使得泵电流近似趋向于负载电流，从而减小输出纹波。该波形的下降沿(如驱动P型开关则为上升沿)的斜率可调，目的是控制开关管关断速度，使其导通电阻缓慢增加，以避免开关管关断时放电电流突然减小而引入的纹波增加。通过对驱动开关的波形进行精细控制，可以进一步平滑每个放电电流脉冲，从而减小输出纹波。 
本发明专利采用前后沿斜率控制技术的对开关驱动，并且飞跨电容一次充电后分多步进行放电，其对纹波的抑制效果示意图如附图6所示。附图6中放电过程分3步完成，实线为多步放电的放电电流，虚线为方波驱动开关条件下，一次充电后单步放电的放电电流，点划线为负载电流。在负载电流相同的情况下，多步放电可以明显减小纹波。 
附图说明：
附图1一种包含基于多次放电的纹波抑制技术的电荷泵DC-DC转换器系统框图； 
附图2波形发生器驱动N型开关功率管原理图； 
附图3波形发生器驱动P型开关功率管原理图； 
附图4驱动N型开关功率管波形示意图； 
附图5驱动P型开关功率管波形示意图； 
附图6放电电流与负载电流随时间变化示意图。 
具体实施方式：
1)与输出端相连的开关功率管被波形产生电路驱动，飞跨电容经过一个充电周期后通过开关对负载放电，如附图2和附图3所示； 
2)放电周期中，飞跨电容上的电荷不是在开关闭合后一次放电完毕，而是经过n个(n为大于1的整数)放电状态完成的； 
3)其中每个放电状态对应了一次开关的闭合与断开过程； 
4)驱动开关闭合的波形的上升沿与下降沿的斜率分别受到精细控制，如附图4和附图5所示； 
5)驱动开关管栅极的波形的前沿(对N型开关为上升沿，P型开关为下降沿)由不同斜率的两段折线组成，其中第一段折线上升(或下降)快，第二段上升(或下降)慢； 
6)驱动开关管栅极的波形的后沿(N型开关为下降沿，P型开关为上升沿)的斜率可调，以控制开关管关断速度，使其导通电阻缓慢增加，避免开关管关断时放电电流突然减小而引入的纹波增加。 
附图标记列表： 
Vin   输入电源电压 
Vout  输出电压 
Vf    反馈电压 
Vref  参考电压 
Vcon  误差放大器输出电压 
R1    输出分压电阻1 
R2    输出分压电阻2 
RL    负载电阻 
CL    负载电容 
Cf    电荷泵飞跨电容 
N_SW  N型开关 
P_SW  P型开关 
CLK   时钟信号 
CLK’ 开关驱动信号 
VH    高电平 
VL    低电平 
VTH_N N型开关阈值电压 
VTH_P P型开关阈值电压。 

Claims (3)

1.一种用于低纹波电荷泵DC-DC转换器的纹波抑制技术，其特征在于飞跨电容一次充电后对负载放电不是一次完成，而是分n次完成的，其中n为大于1的整数。
2.对于权利1所述纹波抑制技术，其特征为驱动连接飞跨电容和负载的开关管栅极的波形的前沿(N型开关为上升沿，P型开关为下降沿)由不同斜率的两段折线组成，其中第一段折线上升(或下降)快，第二段上升(或下降)慢，从而使控制电压快速达到开关管的阈值电压，之后开关管导通电阻缓慢减小，以补偿飞跨电容随着放电时间增加放电电流减小的效应。
3.对于权利1所述纹波抑制技术，其特征为驱动连接飞跨电容和负载的开关管栅极的波形的后沿(N型开关为下降沿，P型开关为上升沿)的斜率可调，以控制开关管关断速度，使其导通电阻缓慢增加，避免开关管关断时放电电流突然减小而引入的纹波增加。
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