CN113300590B

CN113300590B - 一种基于占空比控制的电荷泵并联均流电路

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Publication number: CN113300590B
Application number: CN202110617595.5A
Authority: CN
Inventors: 马俊
Original assignee: Shanghai Southchip Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Southchip Semiconductor Technology Co Ltd
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-06-03
Also published as: CN113300590A

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体的说是涉及一种基于占空比控制的电荷泵并联均流电路。本发明主要通过调整占空比来改变电荷泵的等效阻抗，进而实现电荷泵并联工作时的输出电流均流，具体为通过与荷泵连接的占空比调节模块，通过使电荷泵功率管按照输出的占空比来工作，从而实现并联均流。该方案可以推广到任意转换比的电荷泵架构。本发明的方案改变的是占空比，并不改变频率。所以从EMI的角度，能量频谱集中在开关频率及其谐波频率上，在开关频率以下的范围内几乎没有能量，这样有利于系统EMI的设计。本发明提出了模拟和数字两种实现方式。

Description

一种基于占空比控制的电荷泵并联均流电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体的说是涉及一种基于占空比控制的电荷泵并联均流电路。

背景技术

电荷泵基本架构如图1所示，四个功率管按照互补的相位和分别导通。在没有负载的理想情况下，VX=2*VY， IX=IY/2 (VX端电流为VY端电流的一半)。最常见的应用是将VX作为输入电源，从而得到近似一半的输出电压VY。类似的，如果将VY作为输入电源，那么就会得到近似两倍的输出电压VX。如果VX为输入端，VY为输出端，稳态时CFLY在两个工作状态的电压波形如图2所示。在相位下，电容电压在VX和VY之间进行RC充电；在相位下，电容电压在VY和地之间进行RC放电。据此，可以得到公式1~4：

（公式1）

（公式2）

（公式3）

（公式4）

其中假设COUT>>CFLY, 也就是VOUT电压可以看作不变（负载为电压源）。M1/M3的导通电阻之和与M2/M4的导通电阻之和相等，表示为R_ON。占空比取50%。 TS为开关周期，FS表示开关频率（FS=1/TS）。由以上公式可以得到电荷泵的等效阻抗Z_CP：

（公式5）

当系统需要更大的电流能力时，通常需要将多颗电荷泵芯片并联使用，如图3所示。电荷泵在一个周期内，输入和输出电流是变化的。为了减小输入输出的电流纹波，会让多颗并联芯片的相位等间距错开，如图4所示。这样，任何两个180/N度的相位区间都有相同的输入和输出电流，进而将电流纹波的周期缩小N倍，纹波幅度也大为改善。

通常电荷泵充电芯片会带输入和输出电流检测的功能，有些充电芯片还会自带ADC，将模拟电流信号转换为数字信号。

对于输入电流的检测，通常会选择某个流过全部输入电流的功率管，通过检测同该功率管外部条件相同但是比例小很多的Sense管流过的电流，间接得到流过功率管的输入电流。如图5所示，功率管和sense管的比例为K：1，他们的gate和drain端短接在一起，通过运放的反馈环路让功率管和sense管的source电压相等，让他们的外部条件相同并且得到流过sense管的电流I_SNSx。这样，流过功率管的电流将为流过sense管电流的K倍，即I_IN=I_SNSx * K.

对于电荷泵快充芯片，输出接在电池两端，电荷泵的输出电流即为电池的充电电流。通常，系统会在电池上串联一个阻值很小的功率电阻，通过采集这个功率电阻两端的电压可以得到充电电流。但是，为了减小损耗，通常这个功率电阻的阻值都会很小，典型如2mohm，这样，其两端的压降也很小。为了检测这个很小的压降，电荷泵快充芯片会集成一个放大电路，将这个压降精确的放大几十倍以上。

当系统需要大的电流能力时，通常会将多颗电荷泵芯片并联使用。但是由于芯片本身的差异、外部环境例如电容容值、PCB走线的区别，导致实际使用时不同芯片之间电流并不均匀。这会导致以下的不足：

1）电流最集中的芯片会产生局部热点。如果芯片本身是负温度特性（即温度越高、等效阻值越小、导电能力越强），则会产生正反馈进一步加剧电流的不均匀。对于系统散热、特别是如今非常紧密的智能手机系统，其温度控制的核心就是避免单一热点。热量分布的越均匀，越有利于散热，进而在不影响客户使用体验的前提下，集成更大的能力密度（更大的充电功率）。

2）电流集中并且产生局部热点，也会加速器件的老化。通常器件的老化速度随温度呈指数关系，局部热点容易造成对应器件加速报废，进而降低整个系统的可靠性。

3）每一颗芯片都有最大的电流能力限制，系统设计需要保证任何一颗芯片都不超过电流限值。电流不均流，势必会导致整个系统的总输出电流的下降。

4）系统在设计之初并不知道哪一颗芯片会集中最多的电流，这就造成系统设计时只能让每一颗芯片都按照最大电流来设计，这样的设计冗余度造成了系统资源的浪费。

发明内容

针对上述问题，因并联芯片不均流的具体原因，可能来自于芯片本身的差异、PCB走线的区别、CFLY电容的偏差等，但都可以概括为芯片“等效阻抗”的差异。本发明据此提出通过采集每颗芯片的实际输出电流和理想输出电流的误差，利用反馈来调节每颗芯片的“等效阻抗”，进而实现各并联芯片输出电流的均流。

本发明的技术方案为：

一种基于占空比控制的电荷泵并联均流电路，包括N路并联的电荷泵，还包括分别依次与N路电荷泵连接的N个占空比调节模块，每个占空比调节模块包括误差放大器、锯齿波模块、电容和比较器，其中，误差放大器的同相输入端为与该占空比调节模块连接的电荷泵支路的输入电流，误差放大器的反相输入端为电荷泵并联电路的输出电流/2N，误差放大器的输出端接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接锯齿波模块的输出端，误差放大器与比较器的连接点还通过电容后接地；所述锯齿波模块用于输出固定周期的锯齿波信号；比较器的输出信号与对应电荷泵支路中所有功率管的驱动信号相乘后得到新的功率管驱动信号，使功率管按照比较器输出的占空比来工作。

上述方案为基于模拟的方式调控占空比实现并联均流。

一种基于占空比控制的电荷泵并联均流电路，包括N路并联的电荷泵，其特性在于，还包括分别依次与N路电荷泵连接的N个占空比调节模块，每个占空比调节模块包括时钟产生电路、多路选择器和逻辑电路，所述时钟产生电路用于输出多路相同频率相同相位但不同占空比的时钟信号到多路选择器，所述逻辑电路的一个输入信号为经过ADC转换后的与该占空比调节模块连接的电荷泵支路的输入电流，逻辑电路的另一个输入信号为1/2N的经过ADC转换后的电荷泵并联电路输出电流，逻辑电路的输出信号为多路选择器的控制信号，多路选择器根据控制信号从时钟产生电路中选择一个占空比的时钟输出到对应电荷泵支路，用于与电荷泵支路中所有功率管的驱动信号相乘后得到新的功率管驱动信号，使功率管按照多路选择器输出的占空比来工作；

所述逻辑电路产生控制信号的具体方法为：在逻辑电路中包括计数器，判断输入电流是否大于1/2N的总输出电流，若是，则计数器做减法否则，计数器做加法，当计数器的值累积到-n时，选择最邻近的并且占空比小于当前占空比的时钟输出；反之，当计数器的值累积到n时，选择最邻近的并且占空比大于当前占空比的时钟输出，占空比调整之后，计数器清零。

上述方案为基于数字的方式调控占空比实现并联均流。

本发明的有益效果是：1）通过调整占空比，解决了多颗电荷泵芯片并联使用时的均流问题。首先，消除了系统设计时的局部热点，这对于体积越来越小的电子产品来说至关重要。其次，避免电流和热量集中于个别芯片，可以避免个别芯片加速老化，成为系统可靠性的限制点。最后，由于消除了并联电荷泵之间电流的差异，可以更精准的控制每颗芯片实际流过的电流，避免了过度冗余的设计，不仅降低了成本也能实现更高的能量密度。2）本发明的方案改变的是占空比，并不改变频率。所以从EMI的角度，能量频谱集中在开关频率及其谐波频率上，在开关频率以下的范围内几乎没有能量，这样有利于系统EMI的设计。3）提出模拟的实现方案，利用现成的模拟电流检测信号，只是额外增加了一个积分器、一个锯齿波发生器和一个比较器，就完成了环路的控制。该方案控制精度高，稳定可靠，并且均流的实现过程并不会产生额外的功率损耗。4）提出数字的实现方案，适用于数字系统主导的电荷泵芯片，只需要增加简单的逻辑，就可以实现电流均流。数字方案在本质上是上述模拟方案的离散化，成本更为便宜，调节更为灵活，稳定可靠，均流过程也不产生额外的功率损耗。

附图说明

图1为电荷泵示意图；

图2为稳态时CFLY电压示意图；

图3为多支路电荷泵并联结构示意图；

图4为多支路电荷泵并联工作时的控制信号；

图5为常见的电荷泵充电芯片的输入和输出电流检测电路；

图6为本发明的原理示意图；

图7为基于本发明原理的导通相位示意图；

图8为通过模拟的方式调控占空比实现并联均流的电路图；

图9为通过模拟的方式调控占空比实现并联均流的波形图；

图10为通过数字的方式调控占空比实现并联均流的电路图；

图11为多占空比时钟产生电路；

图12为逻辑控制状态图；

图13为通过数字的方式调控占空比实现并联均流的波形图（n=2）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

对于手机电荷泵快充系统，出于具体实现的方便考虑，通常通过检测每颗芯片的输入电流I_INx来间接得到芯片的实际输出电流I_OUTx (I_OUTx=2*I_INx), 通过检测电池端的总充电电流I_OUT来间接得到芯片的理想输出电流I_OUT_REF (I_OUT_REF=I_OUT/N)。

至于如何调节芯片的“等效阻抗”，从公式5的表达式中可以看到，电荷泵的等效阻抗由功率管的导通电阻、CFLY电容的容值、开关周期（开关频率）三个因素决定。本发明的方案，通过在固定周期下调节占空比，即调节真正有效的导通时间，来调整“等效阻抗”。如图6所示，对电荷泵支路中所有功率管的驱动信号加上占空比控制信号D，进行占空比调制，如图7所示，为基于占空比调制的导通相位示意图。

举例说明，假设有两颗电荷泵芯片并联，其中支路一的电荷泵芯片的外部CFLY容值偏小、PCB走线导致的寄生电阻偏大，从而导致支路一的电荷泵等效阻抗偏大，这样在并联工作时将会有更多的电流通过支路二流出。通过反馈调整两个支路电荷泵的占空比，让支路一的占空比略大于支路二的占空比，以便两个支路的等效阻抗相等，这样就实现了两个支路的输出电流相等，即并联均流。

通过检测小尺寸sense管电流和sense电阻电压放大等常见方法，可以检测出单颗芯片的输入电流和总输出电流。本发明的目标是让每一颗电荷泵芯片的输出电流相等，即每一颗电荷泵芯片的输入电流等于总输出电流的1/2N，其中N为并联芯片的个数。如图8所示，每一颗电荷泵芯片都集成一个占空比控制的环路。这个环路将输入电流和1/2N的误差送到积分器做积分，然后将累计误差与一个固定周期的锯齿波做比较，从而实现了模拟电压信号到占空比的转换。随后将占空比信息送到功率管的驱动电路，让功率管按照比较器输出的占空比来工作。占空比的调整，也改变了芯片的输入电流，改变的输入电流回馈到积分器的输入端，构成了闭环。

从积分器输出电平的角度可以更直观的理解上述的反馈环路。如图9所示，积分器的输出VCx与固定幅值固定频率的锯齿波信号在每个周期都相切。每个周期的初始时刻是占空比信号的上升沿，VCx与锯齿波信号的交点是占空比信号的下降沿，所以占空比Dx=VCx/VM，其中VM为锯齿波信号的幅值，即VCx与占空比成正比。这样，如果初始输入电流I_INx小于1/2N的输出电流，积分器会将他们的误差累积放大，即抬高VCx的电平，进而调高占空比，增大输入电流，完成了负反馈调节。因为积分器的输出电压为有限值，并且组成积分器的误差放大器（EA，Error Amplifier）的增益非常高，所以负反馈稳定后会让误差放大器的输入压差很小，即输入电流等于总输出电流的1/2N。

关于占空比极值的限定。如前所述，积分器的输出电平与占空比成正比。在实际应用中，通常需要限制电荷泵的最小占空比和最大占空比。一个简单的实现方法就是限制误差放大器输出的最低电平和最高电平。

关于系统的稳定性。对于每一颗电荷泵芯片来说，如果输入电流检测模块速度足够快，那么单颗芯片的反馈环路便只有一个主极点，即积分器的输出节点。通过调整误差放大器的输入跨导和VCx节点的电容容值，就可以设定环路带宽。将带宽设置在小于其他高频极点2倍频的位置以内，便可以确保环路的稳定。此外，还需要考虑多颗电荷泵芯片并联时整体的稳定性问题。因为总输出电流是由全部的并联电荷泵芯片共同决定的，总输出电流作为各电荷泵芯片环路的输入参考，自然会对各电荷泵芯片环路产生影响。一个最直接的办法，就是不将检测到的总输出电流真的反馈到各个误差放大器，而只是单纯的设定一个固定的参考值。这样就切断了总输出电流的反馈环路，自然也就没有稳定性问题。这在大多数充电应用中是可行的，因为实际的充电就是希望总充电电流随着时间严格遵循着预设的充电电流曲线。如果系统应用时必须将总输出电流反馈回各个误差放大器（例如恒压充电），通常需要对总输出电流做低频滤波，目的是希望总输出电流的变化频率远低于各子反馈环路的带宽，这样从各子环路的角度来看，可以认为I_OUT/2N的输入参考为“不变的固定值”。

如果系统中已经包含各芯片输入电流和总输出电流的数字信息，也可以用数字的方式来调整占空比进而实现并联均流。如图10所示，时钟产生电路可以输出相同频率相同相位但不同占空比的时钟信号，通过一个多路选择器（MUX）可以从中选择一个占空比的时钟输出到驱动级。如何选择这个时钟，是由逻辑电路利用经过ADC转换的输入电流信息I_INx_ADC和1/2N的总输出电流信息I_OUT_ADC/2N运算得到的。

多占空比的时钟产生电路如图11所示。多级串联的上升沿延迟逻辑门（只对上升沿有延迟，下降沿无延迟）和一个反相器构成了一个振荡环。将振荡环的起点同各个中间节点做异或运算可以得到相同频率相同相位但不同占空比的时钟信号。

逻辑控制的整体思路很简单，即如果输入电流小于1/2N的总输出电流，就调大占空比来增大输入电流；如果输入电流大于1/2N的总输出电流，就调小占空比来减小电流。考虑到从调整占空比到输入电流变化存在一定的延迟，逻辑中引入了计数器，目的是让调整占空比的延迟大于输入电流变化的延迟。每次占空比调整之后，计数器都会被清零。如果输入电流大于1/2N的总输出电流，计数器就会做减法；反之，如果输入电流小于1/2N的总输出电流，计数器就会做加法。当计数器的值累积到-n时，就会选择最邻近的并且占空比小于当前占空比的时钟输出；反之，当计数器的值累积到n时，就会选择最邻近的并且占空比大于当前占空比的时钟输出。整个逻辑是同步逻辑，电流的比较、计数器的更新、占空比的调整都是发生在时钟的上升沿。具体的逻辑控制状态图如图12所示。

以计数器限值n=2为例，一个典型的控制波形图如图13。初始时，输入电流小于1/2N的总输出电流，内部计数器m在clk上升沿时累加。当m累加到2时，SEL信号加1，选择占空比大一档的时钟输出。时钟调整后，输入电流仍然小于1/2N的总输出电流，重复前述的过程。直到SEL信号增大为5时，这时输入电流大于1/2N的总输出电流，内部计数器m在clk上升沿时累减。当m减到-2时，SEL信号减1，选择占空比小一档的时钟输出。之后，SEL信号在4和5之间切换，输入电流在最接近1/2N总输出电流的两档之间切换，最综平均的输入电流近似等于1/2N的总输出电流。

更进一步来理解数字的控制方式，其本质同前述的模拟的控制方式是相同的。如图10示，逻辑电路对输入电流和总输出电流的比较，对应着模拟控制方式中的误差放大器；逻辑电路中的计数器对应着模拟方式中误差放大器输出接的电容；时钟发生器和多路选择器的功能就对应着模拟方式中用锯齿波去切积分电压，目的是为了获得占空比信号。区别在于，模拟的方式是连续调节，占空比可以为任意值，数字的方式是离散的，占空比为有限的几个选择；模拟的方式在时间上是也是连续的，数字的方式只在时钟的边沿做更新。

本发明的技术方案是利用反馈，通过调整占空比来改变电荷泵的等效阻抗，进而实现电荷泵并联工作时的输出电流均流。该方案可以推广到任意转换比的电荷泵架构。本发明提出了模拟的实现方式。对实际的输出电流与理想的输出电流的误差做积分，并通过将积分结果与锯齿波相切的方式得到占空比，进而实现各并联支路的阻抗匹配，即并联均流。本发明还提出数字的实现方式。系统只包含有限的占空比选项，让支路在稳定状态下只在理想占空比附近的两个相邻占空比之间翻转。并且其平均占空比趋近于支路阻抗匹配时的理想占空比，进而实现了并联均流。此外，通过改变逻辑计数器的限值，可以调整整个控制系统的“惯性”，进而可以在不同的系统中实现速度和稳定性的平衡。

Claims

1.一种基于占空比控制的电荷泵并联均流电路，包括N路并联的电荷泵，其特征在于，还包括分别依次与N路电荷泵连接的N个占空比调节模块，每个占空比调节模块包括误差放大器、锯齿波模块、电容和比较器，其中，误差放大器的同相输入端为与该占空比调节模块连接的电荷泵支路的输入电流，误差放大器的反相输入端为电荷泵并联电路的输出电流/2N，误差放大器的输出端接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接锯齿波模块的输出端，误差放大器与比较器的连接点还通过电容后接地；所述锯齿波模块用于输出固定周期的锯齿波信号；比较器的输出信号与对应电荷泵支路中所有功率管的驱动信号相乘后得到新的功率管驱动信号，使功率管按照比较器输出的占空比来工作。

2.一种基于占空比控制的电荷泵并联均流电路，包括N路并联的电荷泵，其特征在于，还包括分别依次与N路电荷泵连接的N个占空比调节模块，每个占空比调节模块包括时钟产生电路、多路选择器和逻辑电路，所述时钟产生电路用于输出多路相同频率相同相位但不同占空比的时钟信号到多路选择器，所述逻辑电路的一个输入信号为经过ADC转换后的与该占空比调节模块连接的电荷泵支路的输入电流，逻辑电路的另一个输入信号为1/2N的经过ADC转换后的电荷泵并联电路输出电流，逻辑电路的输出信号为多路选择器的控制信号，多路选择器根据控制信号从时钟产生电路中选择一个占空比的时钟输出到对应电荷泵支路，用于与电荷泵支路中所有功率管的驱动信号相乘后得到新的功率管驱动信号，使功率管按照多路选择器输出的占空比来工作；

所述逻辑电路产生控制信号的具体方法为：在逻辑电路中包括计数器，判断输入电流是否大于1/2N的总输出电流，若是，则计数器做减法，否则，计数器做加法，当计数器的值累积到-n时，选择最邻近的并且占空比小于当前占空比的时钟输出；反之，当计数器的值累积到n时，选择最邻近的并且占空比大于当前占空比的时钟输出，占空比调整之后，计数器清零，n为设定的计数器限值。