一款基于開關(guān)電容的倍壓器研究與設(shè)計(jì)

劉士啟 ，馬 奎 ，2，3，楊發(fā)順 ，2，3

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.半導(dǎo)體功率器件可靠性教育部工程研究中心，貴州 貴陽 550025；3.貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

0 引言

直流電壓變換可分為兩大類：基于電感的電壓變換電路和基于電容的電壓變換電路，這兩種電路使用的變壓器件分別是電感和電容[1]。基于電感的電壓變換電路雖然具有較高的變換效率，但是電路的體積很大，難以集成在芯片中，而且由于使用了電感，在電路工作過程中造成的電磁干擾問題相當(dāng)嚴(yán)重，同時(shí)電感式變壓電路的造價(jià)也相對(duì)較高，一般應(yīng)用于較大型設(shè)備的變壓場(chǎng)合[2]。而基于電容的電壓變換電路就是電荷泵，電荷泵電路只占用很小的芯片面積，成本較低，基本不存在電磁干擾現(xiàn)象，電荷泵在小型電子設(shè)備中的應(yīng)用很廣泛[3]。電荷泵既可用于芯片內(nèi)部電路供電，也可為芯片外部模塊供電。在芯片內(nèi)部的某些模塊，其所需的輸入電壓可能不是電源電壓，這時(shí)就需要電荷泵把電源電壓變換成模塊所需的電壓，使其正常工作，例如在存儲(chǔ)芯片中，內(nèi)部可能需要40 V 的高壓，電荷泵可把電源電壓泵升到這個(gè)電壓值來滿足需求[4]；而另一方面，電荷泵電路本身可以封裝成一個(gè)獨(dú)立芯片，它的輸出電壓可用于數(shù)碼相機(jī)、平板電腦、音樂播放器等各類手持便攜設(shè)備，來為這些設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓[5]。在電荷泵用于驅(qū)動(dòng)外部電子設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合中，如果電荷泵只需要提供較小的驅(qū)動(dòng)電流，那么用于泵升電壓的電容值比較小，占用面積不大，就可以集成在芯片內(nèi)部[6]。

1 基于開關(guān)電容的倍壓器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)基于開關(guān)電容的倍壓器框圖如圖1 所示，主要包含偏置電路、振蕩器、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路四個(gè)模塊。

圖1 開關(guān)電容倍壓器系統(tǒng)框圖

偏置電路由多支路鏡像電流源及有源負(fù)載構(gòu)成，提供穩(wěn)定的偏置電流；振蕩器采用張弛振蕩器電路結(jié)構(gòu)，振蕩器產(chǎn)生兩組矩形波信號(hào)分別控制S1 和S2 兩組開關(guān)。驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)提供開關(guān)管導(dǎo)通所需的驅(qū)動(dòng)電流。開關(guān)電路由兩個(gè)二極管和兩個(gè)開關(guān)管組成，利用二極管的單向?qū)梢宰鳛殚_關(guān)使用，兩個(gè)開關(guān)管S1、S2 由兩組信號(hào)F1、F2 同時(shí)控制，F(xiàn)1 控制S1，F(xiàn)2 控制S2，導(dǎo)通的時(shí)序是S2 先導(dǎo)通，電源為C1 充電，然后S2 斷開，S1 導(dǎo)通，泵電容C1 和VDD 串聯(lián)得到倍增的+VOUT實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的倍增。

1.1 偏置電路

偏置電路的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 偏置電路

此條支路采用串接電流鏡的結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電流，并將此基準(zhǔn)電流通過電流鏡復(fù)制到后面的電路中，為之后的電路提供合適的偏置電流。

通過第一條支路，可以得到式子：

1.2 振蕩器

張弛振蕩器電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 振蕩器電路結(jié)構(gòu)

本電路中的Q40 是電容的放電管，Q12、Q38 是電流鏡做有源負(fù)載，Q38、Q14 為充電管，兩者均為電容充電。

C2 在零狀態(tài)下接通電源，C2 充電的時(shí)長(zhǎng)由Q38 提供的電流大小決定，電容C2 上的電壓逐漸增大，當(dāng)UC逐漸達(dá)到Q40 開啟電壓時(shí)，Q40 開啟，C2 經(jīng)Q40 放電，放電快慢取決于Q12 提供的電流大小。

當(dāng)電容C2 上的電壓通過放電減小到小于Q40 的導(dǎo)通電壓時(shí)，eb 之間電阻增大，Q40 恢復(fù)阻斷狀態(tài)，C2 又開始充電重復(fù)上述過程。正是因?yàn)镃2 不停地充放電，故UC 呈現(xiàn)規(guī)則的鋸齒波。

Q40 基極的鋸齒波經(jīng)射極跟隨器傳到Q11 基極，然后再經(jīng)過一級(jí)射極跟隨器到達(dá)Q11 發(fā)射級(jí)完成波形采樣。采樣后的波形送入由R10、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10 組成的整形網(wǎng)絡(luò)，將三角波轉(zhuǎn)化成方波。

充電過程：當(dāng)Q8 集電極為高電平時(shí)，Q6 開啟，Q6 集電極電流與R10 阻值相乘，三角波的上升沿通過R10 被拉低成低電平，Q6 集電極會(huì)輸出低電平，Q10 基極也為低電平，Q10 集電極輸出高電平，Q38 開啟電容C2 充電。

放電過程：Q11 發(fā)射級(jí)輸出的三角波為下降沿時(shí)，Q9 的BE 結(jié)將下降沿拉成恒定800 mV 左右的高電平，Q9 集電極為高電平，Q7 集電極輸出低電平從而Q10 集電極為低電平，Q38 關(guān)閉，電容充電終止開始放電。

占空比影響因素：振蕩器的占空比由充放電時(shí)間共同決定，只有當(dāng)充放電的時(shí)間常數(shù)一致時(shí)占空比才會(huì)達(dá)到50%[7]。電容通過Q38、Q14 完成充電、Q40 放電。

推出：ICQ12=ICQ38+ICQ14

正是因?yàn)镮CQ12=ICQ38+ICQ14，充放電電流一致所以占空比為50%，所以通過調(diào)節(jié)Q12、Q14 和Q38 的m 數(shù)調(diào)節(jié)振蕩器占空比，也可以通過調(diào)節(jié)R8 阻值來調(diào)節(jié)Q10 集電極支路上的電流，以此來影響Q38 的電流[8]。

1.3 驅(qū)動(dòng)及開關(guān)電路

開關(guān)S1 及S1 的驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。

圖4 S1 驅(qū)動(dòng)及開關(guān)電路

Q24 的驅(qū)動(dòng)電流主要由Q26 鏡像電流源提供，所以Q26 的m 數(shù)會(huì)影響開關(guān)Q24 的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)電流過小的話會(huì)導(dǎo)致Q24 的CE 結(jié)壓降太大，從而引起VO+不達(dá)標(biāo)[9]。如果Q26 的m 數(shù)設(shè)得太大則會(huì)導(dǎo)致電源電流增大，而且VO+也不會(huì)很明顯增大，因?yàn)槿绻茏右呀?jīng)飽和，再去增大Q24 的基級(jí)電流，那么對(duì)減小Q24 的CE壓降會(huì)毫無幫助，反而會(huì)增加整體功耗。Q26 提供整體的驅(qū)動(dòng)電流，Q16 負(fù)責(zé)鏡像驅(qū)動(dòng)電流，在此環(huán)節(jié)可以微調(diào)驅(qū)動(dòng)電流，Q19 負(fù)責(zé)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大，可以通過調(diào)節(jié)Q19 的m 數(shù)對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行微調(diào)，經(jīng)過Q19 放大的驅(qū)動(dòng)電流一路流經(jīng)R14，另一路流進(jìn)Q24 基級(jí)，所以如果想要控制整體功耗的話，可以把Q26 的基級(jí)電流調(diào)到一個(gè)合適的值，然后通過調(diào)節(jié)R14、R13 以及Q13 的m 數(shù)來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流以滿足Q24 的飽和條件[10]。

S1 導(dǎo)通條件：設(shè)Q24 基極電流為X，開關(guān)S2 及S2的驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。

圖5 S2 驅(qū)動(dòng)及開關(guān)電路

Q44 控制開關(guān)Q22 的導(dǎo)通、關(guān)斷，Q36 負(fù)責(zé)提供S2導(dǎo)通所需的驅(qū)動(dòng)電流，然后經(jīng)Q20 放大送到Q22 基級(jí)，為Q22 提供驅(qū)動(dòng)電流?？梢哉{(diào)節(jié)R24 的電阻大小來控制S2 整體的驅(qū)動(dòng)電流，R24 越小，驅(qū)動(dòng)電流越大，此外還可通過調(diào)節(jié)圖5 中R3 的大小來對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行微調(diào)。R3阻值越大，流入Q22 基級(jí)的電流越大。

2 基于開關(guān)電容的倍壓器的仿真驗(yàn)證

本文基于中科渝芯40 V 雙極型工藝完成電路設(shè)計(jì)并利用Cadence 軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真。其整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 倍壓器的整體電路結(jié)構(gòu)

2.1 空載仿真

2.1.1 5 V 空載仿真

在5 V 空載情況下，輸出電壓可以達(dá)到8.95 V 左右，仿真結(jié)果見圖7。

圖7 5 V 空載仿真結(jié)果

2.1.2 11 V 空載仿真

11 V 空載情況下，輸出電壓可以達(dá)到20.69 V 左右，仿真結(jié)果見圖8。

圖8 11 V 空載仿真結(jié)果

2.1.3 20 V 空載仿真

20 V 空載情況下，輸出電壓可以達(dá)到38.18 V 左右，仿真結(jié)果見圖9。

圖9 20 V 空載仿真結(jié)果

2.2 帶負(fù)載仿真

2.2.1 Vin=5 V，輸出帶20 mA 負(fù)載仿真

輸入電壓為5 V，正端輸出電流可以達(dá)22.78 mA。仿真結(jié)果見圖10。

圖10 Vin=5 V，輸出帶20 mA 負(fù)載仿真

2.2.2 Vin=11 V，輸出帶20 mA 負(fù)載仿真

輸入電壓為11 V，正端輸出電流可以達(dá)23.13 mA。仿真結(jié)果見圖11。

圖11 Vin=11 V，輸出帶20 mA 負(fù)載仿真

2.2.3 Vin=20 V，輸出帶20 mA 負(fù)載仿真

輸入電壓為20 V，正端輸出電流可以達(dá)20.72 mA。仿真結(jié)果見圖12。

圖12 Vin=20 V，輸出帶20 mA 負(fù)載仿真

2.3 電源電流仿真

DC-DC 還有一個(gè)重要的指標(biāo)參數(shù)就是功耗，設(shè)定的目標(biāo)參數(shù)是輸入電壓為4 V 時(shí)，電源電流最大不超過12.5 mA；輸入電壓為10 V 時(shí)，電源電流最大不超過30 mA。圖13 是4 V 空載時(shí)的電源電流大小，電源電流最大為5.23 mA。圖14 是10 V 空載時(shí)的電源電流仿真，從圖中可以看出電源電流最大為11.34 mA。4 V 空載和10 V 空載電源電流均達(dá)標(biāo)。

圖13 4 V 空載時(shí)，電源電流仿真

圖14 10 V 空載時(shí)，電源電流仿真

2.4 輸出電壓紋波仿真

4 V 空載時(shí)，輸出電壓紋波如圖15 所示，僅有6 mV。紋波大小取決于開關(guān)頻率，開關(guān)頻率越慢，輸出電壓的紋波就越大[11]。但也不是開關(guān)頻率越快越好，開關(guān)頻率越快，則開關(guān)管損耗越大，會(huì)造成芯片功耗變大，所以功耗和紋波大小是一對(duì)需要權(quán)衡的參數(shù)[12]。

圖15 4 V 空載時(shí)輸出電壓的紋波大小

2.5 開關(guān)電容倍壓器的應(yīng)用電路

開關(guān)電容倍壓器的應(yīng)用電路極為簡(jiǎn)單，如圖16 所示，僅需外接兩個(gè)電容，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的倍增，且無電磁感應(yīng)效應(yīng)[13]。電容C1 為泵電容，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存電荷，也是電壓能否實(shí)現(xiàn)倍增的關(guān)鍵[14]。電容C5 為輸出電容，作用為濾波。電荷泵實(shí)現(xiàn)電壓倍增的方式雖然比較簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)是紋波較大，故在輸出端加上濾波電容，該電容越大，紋波越小，用戶可以根據(jù)應(yīng)用電路對(duì)紋波的要求來自行確定輸出電容的容值大小[15]。

圖16 開關(guān)電容倍壓器的應(yīng)用電路

3 結(jié)論

本文研究并設(shè)計(jì)了基于開關(guān)電容的倍壓器，該芯片僅需兩個(gè)外部電容即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的倍增。電壓輸入范圍為4 V 到20 V，最大可帶20 mA 負(fù)載，空載紋波為6 mV 左右，該電路無需電感，可以避免電磁干擾效應(yīng)。經(jīng)過仿真驗(yàn)證該芯片可以在-55 ℃～125 ℃的環(huán)境下工作，其帶負(fù)載能力、輸出電壓、電源電流都是達(dá)標(biāo)的。