CN107994767A - 电压电源 - Google Patents

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张宁
钱翼飞
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Abstract

本发明公开了一种电压电源，其包括一个电荷泵、一个低压差线性稳压器；电荷泵的输出接低压差线性稳压器的输入；低压差线性稳压器的输出作为电压电源的输出；电荷泵的输出电压大于4V；低压差线性稳压器的压降电压小于2.1V。本发明的电压电源，完全割裂了电荷泵和低压差线性稳压器的设计，将电荷泵从环路中取出单独作为低压差线性稳压器的电源，使得电荷泵的控制电路简化，而低压差线性稳压器作为线性稳压电路，其AC环路模型已成定例，设计，优化，仿真都十分简便，其环路稳定性从仿真来验证是非常方便和可靠的，因此这种电压电源架构既简化了电路设计，也提高了整个电压电源架构的稳定性。

Description

电压电源
技术领域
本发明涉及高压电源架构，特别涉及一种电压电源。
背景技术
常规智能卡平台需要一个高于5V的电压作为Flash编程和擦写的电源，通常是用一个电荷泵电路来实现。
电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)，能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(0.5,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80％的效率，而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI(电磁干扰)。
通常使用跳频的方式来控制电荷泵，以达到限制输出电压的要求，如图1所示。但是此种方案的问题在于调频纯粹是开环控制，会产生很大的纹波。现有一种改进方案如图2所示，是在电荷泵的输入加一个调整管，构成一个稳压器(regulator)形式的电荷泵，有效地解决了之前方案的纹波问题。但该方案也有一个缺点。由于电荷泵是开关型电路，而稳压器(regulator)是闭环型的电路，两者结合在一起在设计上会带来稳定性问题，并且由于开关电源的环路分析模型一向是一个难点，并且很难真实模拟实际电路，因此，该电荷泵架构在环路稳定性上只能通过大量的瞬态仿真来解决这个问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电压电源，输出电压非常精确和稳定,而且既简化了电路设计，也提高了整个电压电源架构的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供的电压电源，其包括一个电荷泵、一个低压差线性稳压器；
所述电荷泵的输出接所述低压差线性稳压器的输入；
所述低压差线性稳压器的输出作为电压电源的输出；
所述电荷泵的输出电压大于4V；
所述低压差线性稳压器的压降电压小于2.1V。
较佳的，所述电荷泵为开关式调整器升压泵、无调整电容式电荷泵或可调整电容式电荷泵。
较佳的，所述电荷泵的输出通过一个电容接地。
较佳的，所述电容采用钽电容或片式多层陶瓷电容器。
较佳的，所述低压差线性稳压器中的调整管使用功率晶体管。
较佳的，所述低压差线性稳压器中的调整管使用PNP功率晶体管。
较佳的，所述低压差线性稳压器中的调整管使用MOS功率管。
较佳的，所述低压差线性稳压器中的调整管使用P沟道MOSFET。
较佳的，所述低压差线性稳压器包括调整管、比较放大器、第一电阻、第二电阻；
所述调整管为三极管或MOS管；
所述第一电阻、第二电阻串接在电压电源的输出同地之间；
所述比较放大器的同相输入端接基准电压,反相输入端接第一电阻同第二电阻的串接端；
所述比较放大器的输出接所述调整管的控制端；
所述调整管的另外两端分别接所述电荷泵的输出及电压电源的输出。
较佳的，所述基准电压是通过对所述电荷泵的输出电压变换得到。
较佳的，所述低压差线性稳压器中还包括一个二极管；
所述二极管的负端接所述比较放大器A的同相输入端，正端接地。
本发明的电压电源，使用单一电荷泵串接LDO(低压差线性稳压器)的方式来产生高压电源，完全割裂了电荷泵和LDO(低压差线性稳压器)的设计，将电荷泵从环路中取出单独作为LDO的电源，使得电荷泵的控制电路简化。而LDO(低压差线性稳压器)作为线性稳压电路，其AC环路模型已成定例，设计，优化，仿真都十分简便，其环路稳定性从仿真来验证是非常方便和可靠的，因此这种电压电源架构既简化了电路设计，也提高了整个电压电源架构的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是通常使用跳频的方式来控制的电荷泵；
图2是现有稳压器形式的电荷泵；
图3是本发明的电压电源一实施例电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图3所示，电压电源包括一个电荷泵、一个LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)；
所述电荷泵的输出接所述低压差线性稳压器的输入；
所述低压差线性稳压器的输出作为电压电源的输出；
所述电荷泵的输出电压VPUMP大于4V；
所述低压差线性稳压器的压降电压Vdrop小于2.1V。
较佳的，所述电荷泵为开关式调整器升压泵、无调整电容式电荷泵或可调整电容式电荷泵。
较佳的，所述电荷泵的输出通过一个输入电容Cin接地。
较佳的，所述输入电容采用钽电容或MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitors，片式多层陶瓷电容器)。
较佳的，所述低压差线性稳压器中的调整管使用功率晶体管。正输出电压的LDO(低压差线性稳压器)通常使用PNP功率晶体管(也称为传递设备)作为调整管。PNP功率晶体管允许饱和，LDO(低压差线性稳压器)可以有一个非常低的压降电压，通常为200mV左右。
较佳的，所述低压差线性稳压器中的调整管使用MOS功率管。调整管使用MOS功率管，通过低压差线性稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的ON电阻造成的如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。调整管使用P沟道MOSFET时，P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流，而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积，由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低，能够提供最低的压降电压。
LDO(低压差线性稳压器)是一种线性稳压器，使用在其线性区域内运行的晶体管或场效应管(FET)，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压，LDO(低压差线性稳压器)成本低，噪音低，静态电流小，它需要的外接元件也很少。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。
实施例一的电压电源，使用单一电荷泵串接LDO(低压差线性稳压器)的方式来产生高压电源。单一输出电压的电荷泵非常容易设计，而且可以完全开环，由电荷泵的电容和传输管来控制单一输出电压VPUMP，此输出电压VPUMP不必十分精确，只需能给LDO(低压差线性稳压器)提供足够高的电压和足够的驱动能力即可。然后这个粗略的输出电压VPUMP经过LDO(低压差线性稳压器)调整并输出，则可以得到一个非常精确和稳定的输出电压VOUT。实施例一的电压电源，完全割裂了电荷泵和LDO(低压差线性稳压器)的设计，将电荷泵从环路中取出单独作为LDO的电源，使得电荷泵的控制电路简化。而LDO(低压差线性稳压器)作为线性稳压电路，其AC环路模型已成定例，设计，优化，仿真都十分简便，其环路稳定性从仿真来验证是非常方便和可靠的，因此这种电压电源架构既简化了电路设计，也提高了整个电压电源架构的稳定性。
实施例二
基于实施例一的电压电源，LDO(低压差线性稳压器)包括调整管VT、比较放大器A、第一电阻R1、第二电阻R2；
所述调整管VT为三极管或MOS管；
所述第一电阻R1、第二电阻R2串接在电压电源的输出同地之间；
所述比较放大器A的同相输入端接基准电压VREF,反相输入端接第一电阻R1同第二电阻R2的串接端；
所述比较放大器A的输出接所述调整管VT的控制端；
所述调整管VT的另外两端分别接所述电荷泵的输出及电压电源的输出。
较佳的，所述基准电压VREF是通过对所述电荷泵的输出电压VPUMP变换得到。
较佳的，所述低压差线性稳压器还包括一个二极管；
所述二极管的负端接所述比较放大器A的同相输入端，正端接地。
实施例二的电压电源，LDO(低压差线性稳压器)包括调整管VT、比较放大器A、第一电阻R1、第二电阻R2；取样电压加在比较放大器A的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压VREF相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制调整管VT的压降，从而稳定输出电压。当输出电压VOUT降低时，基准电压VREF与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，调整管VT压降减小，从而使输出电压VOUT升高。相反，若输出电压VOUT超过所需要的设定值，比较放大器A输出的驱动电流减小，从而使输出电压VOUT降低。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电压电源，其特征在于，包括一个电荷泵、一个低压差线性稳压器；
所述电荷泵的输出接所述低压差线性稳压器的输入；
所述低压差线性稳压器的输出作为电压电源的输出；
所述电荷泵的输出电压大于4V；
所述低压差线性稳压器的压降电压小于2.1V。
2.根据权利要求1所述的电压电源，其特征在于，
所述电荷泵为开关式调整器升压泵、无调整电容式电荷泵或可调整电容式电荷泵。
3.根据权利要求1所述的电压电源，其特征在于，
所述电荷泵的输出通过一个电容接地。
4.根据权利要求3所述的电压电源，其特征在于，
所述电容采用钽电容或片式多层陶瓷电容器。
5.根据权利要求1所述的电压电源，其特征在于，
所述低压差线性稳压器中的调整管使用功率晶体管。
6.根据权利要求5所述的电压电源，其特征在于，
所述低压差线性稳压器中的调整管使用PNP功率晶体管。
7.根据权利要求1所述的电压电源，其特征在于，
所述低压差线性稳压器中的调整管使用MOS功率管。
8.根据权利要求7所述的电压电源，其特征在于，
所述低压差线性稳压器中的调整管使用P沟道MOSFET。
9.根据权利要求1所述的电压电源，其特征在于，
所述低压差线性稳压器包括调整管、比较放大器、第一电阻、第二电阻；
所述调整管为三极管或MOS管；
所述第一电阻、第二电阻串接在电压电源的输出同地之间；
所述比较放大器的同相输入端接基准电压,反相输入端接第一电阻同第二电阻的串接端；
所述比较放大器的输出接所述调整管的控制端；
所述调整管的另外两端分别接所述电荷泵的输出及电压电源的输出。
10.根据权利要求9所述的电压电源，其特征在于，
所述基准电压是通过对所述电荷泵的输出电压变换得到。
11.根据权利要求9所述的电压电源，其特征在于，
所述低压差线性稳压器中还包括一个二极管；
所述二极管的负端接所述比较放大器的同相输入端，正端接地。
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