[发明专利]一种宽输入范围低纹波电荷泵降压电路

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种电荷泵电源系统，尤其涉及一种由迟滞比较器和中心频率可配置压控振荡器组成的双环控制电荷泵结构。

 

背景技术

电源是一切电子系统的能量之源，电源转换芯片主要有线性电压调节器LDO、开关电源DC-DC和电荷泵三类。随着SOC、生物芯片以及无线传感芯片的发展，电子系统的发展朝着数字化、微型化、集成化的方向发展，对电源转换芯片提出了新的要求。

线性电压调节器LDO只能实现降压，且压差越大LDO的效率越低，这两个缺点限制了LDO的应用。开关电源DC-DC效率较高，纹波较小，驱动能力较强，可以实现升降压，但使用电感作为能量传输元件。高品质电感工艺复杂，体积较大，且需要复杂的补偿网络。电感还会引起较为严重的电磁干扰，使得在SOC等全集成领域的应用受限。与前两者相比，电荷泵使用电容作为能量传输元件，具有升降压功能，同时消除电感引起的电磁干扰，利于实现系统的全集成，符合当前技术的发展趋势。

电荷泵因增益模式数量受限制，因此各模式增益值相互离散，容易造成在特定的输入电压与输出电压无法找到最佳的增益模式，当输入电压大范围变化或负载电流大范围变化时，电荷泵有限的增益模式带来的输入与输出电压不匹配的问题更加凸显。一种传统解决方法是增加电荷泵功率级增益模式的数量，如图1。当输出电压恒定时，首先根据输入电压的大小由增益模式选择电路确定电荷泵功率级增益，然后压控振荡器依据输出电压的变化进行相应的频率变化，以控制输出电压稳定在所需电压。这种控制方法的缺点在于，若通过增加增益模式的数量解决输入输出匹配问题，将使开关管的数量倍增，直接影响系统的高效率，同时使开关时序控制与死区控制更加复杂；其次，若通过增大压控振荡器的变频范围解决以上问题，压控振荡器变频范围的增加将使非线性效应更加明显，难以实现对系统调节精度的提高。此外，数字脉宽调制也是一种解决电荷泵模式不匹配问题的方法，如图2，通过调节时钟信号的占空比控制不完全充电或或不完全放电，等效改变输入输出电压的关系。由于占空比调节方法需要数模转换器、可编程补偿器、数字脉宽电路等模块，控制环路非常复杂，同时因不能实现占空比的连续调节，调节精度较低。

输入输出模式不匹配对电荷泵电路的灵活应用带来不利影响，针对存在的不匹配问题以及上述传统解决方案的不足和缺陷，本发明在电荷泵增益模式不变的情况下，通过自适应配置压控振荡器的中心频率并调节其受控范围，解决单一宽变频范围下压控振荡器线性度降低而导致的系统性能下降问题。通过中心频率切换解决以上问题的代价，仅仅需要增加一个迟滞比较器、以及若干开关管与小的并联调节电容。

 

发明内容

本发明的目的是解决由于电荷泵增益模式有限导致的输入电压与输出电压不匹配的问题，获得一种宽输入范围低纹波的电荷泵降压电路。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种宽输入范围低纹波电荷泵降压电路，包括用于检测输入电压以确定增益模式的增益模式选择电路、对开关工作状态进行控制的开关逻辑控制及死区控制电路、用于功率传输的电容阵列功率级电路、用于处理输出电压的误差放大器和迟滞比较器和用于系统时钟的压控振荡器，增益模式选择电路和压控振荡器的输出端分别接开关逻辑控制及死区控制电路的输入端，开关逻辑控制及死区控制电路的输出端串接电容阵列功率级电路后分别接误差放大器的负输入端和迟滞比较器的正输入端，误差放大器和迟滞比较器的输出端分别接压控振荡器的输入端。

所述压控振荡器采用限流环形振荡器，包括N个输出级别，每一级的输出节点并联C₁、C₂两个电容，其中C₂串联一个NMOS开关管，NMOS开关管的栅极分别接迟滞比较器的输出端。