【正文】 間隔，要盡可能減小器件的靜態(tài)電流。 4. 減少占印板的面積 減少電荷泵變換器占印板面積有兩種措施：采用貼片或小尺寸封裝 IC，新產(chǎn)品13 / 47采用 SO 封裝、μMAX 封裝及開發(fā)出尺寸更小的 SOT23 封裝；其次是減小外接電容的容量。 5. 輸出負電壓可設定（調(diào)整） 一般的電荷泵變換器的輸出負電壓 VOUT = VIN，是不可調(diào)整的，但新型產(chǎn)品MAX1673 可外接兩個電阻 RR 2來設定輸出負電壓。輸出電壓精度為 177。它的輸出電壓是工廠生產(chǎn)時精密預置的,可通過后端片上線性調(diào)整器調(diào)整，因此電荷泵在設計時可按需要增加電荷泵的開關級數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動空間。功率開關按一定規(guī)則周期地導通和關閉，使開關電容從輸入電源充電，得到電荷，然后放電，將電荷轉(zhuǎn)移至負載，完成電平和功率轉(zhuǎn)換。其時鐘信號波形如圖 25 所示。C1 對 C2 放電，C1 在 Φ1 得到的電荷在 Φ2 階段被轉(zhuǎn)移到 C2 和負載，使 C2 和輸出負載 Vin 得到電荷。 電荷泵轉(zhuǎn)換器的基本概念 上一節(jié)的例子說明了電荷泵工作的基本原理，即通過開關改變電路拓撲，將電荷從電源轉(zhuǎn)移至輸出，并利用電容兩端電壓差不能突變的特性，得到一定增益比的輸出電壓 [9]。改變電容數(shù)和開關的位置，可以得到其他的增益比，包括整數(shù)比和分數(shù)比。二． 開關導通電阻 影響實際輸出電壓大小的原因之一即是開關的導通電阻。對電荷泵輸入輸出特性用戴維南模型進行等效分析，用開路輸出電壓和等效串聯(lián)輸出電阻來模擬輸出特性。其下降幅度 VR決定于 /212nTLLRtOUOUTTIIdCCf???? （）其中，假設負載電流 IL變換很小，近似為常數(shù)，T 表示開關周期大小，f 表示開關頻率。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx 系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2V3V 以上，否則就不能正常工作。有些新器件還增加許多新功能，如軟啟動、限流、PFM或者 PWM 方式選擇等。 LDO 的應用非常簡單，很多 LDO 僅需在輸入端及輸出端各接一顆電容即可穩(wěn)定工作。 研究線性穩(wěn)壓器的動機來自于人們對高性能電源供電電路需求的日益增長，我們總是希望為便攜式產(chǎn)品供電的電源管理芯片能夠做到高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗，突破散熱瓶頸，高效節(jié)能，延長電池壽命，提高產(chǎn)品性能。從圖的小信號模型可以得到，該 LDO 的環(huán)路增益為 ????1102()FmLESRLgrsCRTssr?????????? () 其中 gm1和 r01分別為誤差放大器的跨導和輸出阻抗，C 1為誤差放大器輸出處的寄生電容，C 1約等于調(diào)整功率管的柵極電容 Cg，g mL為調(diào)整功率管的跨導，r 02為調(diào)整功率管自身的溝道阻抗，R L為 Vout處的總電阻，r l≈R L。由于這些原因，穩(wěn)定性一直是 LDO 設計的最大難點。這個系統(tǒng)以 LDO 輸出處的極點 Po 作為主極點。為了有利于穩(wěn)定性，一般 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡中的電阻 Rz 取值較小，而 Cc 取值較大，因此極點 Pz 可以做到遠大于單位增益帶寬，對穩(wěn)定性的影響可忽略不計。 的相位裕度，Cm1 和 Cm2 要滿足： 114mLgC?? () 22L ()24 / 47于是，環(huán)路的單位增益帶寬為 14mLgGBWC? () 已有很多文獻證明，按 和 所表示的關系式選擇補償電容 Cm1和 Cm2，能保證環(huán)路有足夠的相位裕度。在 LDO 的調(diào)制區(qū)間(regulation region)，輸出電壓不隨輸入電壓變化，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性。要減小?V out,max，即要增大 LDO 的帶寬，使用更大的負載電容以及更小的 ESR 電阻。把式以及 RL=Vout/Iout 代入得26 / 47 0outtVIT??? （）由式可以看出，增大 LDO 的環(huán)路增益可以減小其負載調(diào)整率。為便攜式電子設備選擇穩(wěn)壓器 IC 時要考慮多方面的因素。 分析線性調(diào)整率時，LDO 輸出級的小信號模型可以畫為如圖 217 所示的形式。 瞬態(tài)響應時的恢復時間不僅和輸出電壓 Vout上的最大變化有關，還受環(huán)路帶寬和擺率(Slew Rate, SR)的影響。由于在 dropout 區(qū)間，調(diào)整功率管可以等效為電阻 Ron，因此 LDO 的壓差也可表示為 droput=InoutR? （）25 / 47 值得說明的是，LDO 的壓差是一個與輸出電流 Iout有關的參數(shù)。近年來，出現(xiàn)了一些專門針對LDO 的、基于多級米勒補償?shù)母倪M型頻率補償法，如阻尼系數(shù)控制頻率補償 [14](Damping Factor Control Frequency Compensation, DFCFC)、單個米勒電容前饋頻率補償 [14](Single Miller capacitor Feedforward Frequency Compensation, SMFFC)等。串聯(lián) RC 網(wǎng)絡形成的零點 z0可以做成追隨輸出極點 P0的動態(tài)零點，以達到很好地抵消 P0的目的。并且，為了能夠讓 ESR 零點有效抵消片內(nèi)極點，有時會特地加上一個電阻 Radd與輸出電容 CL串聯(lián)，但這會嚴重影響瞬態(tài)響應的性能 [11]。圖 212 基本 LDO 的環(huán)路增益波特圖一．經(jīng)典 ESR 零點補償法 圖 213 使用經(jīng)典 ESR 零點補償?shù)?LDO 經(jīng)典的 ESR 零點補償法如圖 213 所示。 由于 LDO 得具有一定的負載電流能力，最大輸出電流一般至少為幾百毫安，所以 LDO 的調(diào)整功率管尺寸通常比較大，這也導致了調(diào)整功率管的柵極電容 Cg 較大，而誤差放大器因為要具有較高增益以保證整個 LDO 的調(diào)整精度，其輸出阻抗 r01 也比較大，因此 p1 將會是一個低頻極點。深入研究電源管理技術的發(fā)展趨勢，使我們認識到 LDO 線性穩(wěn)壓器是實現(xiàn)便攜式產(chǎn)品對高性能電源管理要求的極具競爭力的解決方案 [1]。在以電池作為電源的系統(tǒng)中，應當選擇壓差盡量低的 LDO，這樣可以使電池更長時間為系統(tǒng)供電，比如 NCP600，NCP629 等等。它有一個廣泛的應用前景，特別是在便攜式電子領域。針對這種情況，才有了 LDO 類的電源轉(zhuǎn)換芯片。轉(zhuǎn)換效率記作 θ，表示為輸出功率 Pout與輸入功率 Pin的比值，即 outinP?? （）θ 與功率損耗的關系為 1()losinoutt??? （）18 / 47從上述兩式可看出，θ 越大，則功率利用越有效，系統(tǒng)功耗越小。17 / 47仍以 節(jié)中的 X2 增益電荷泵為例為例，其輸出電壓表達式由上節(jié)推導得出。?Von 越大，則損失的功率越大。的電荷泵工作狀態(tài)的等效電路圖。本節(jié)將重點介紹電荷泵中的一些基本概念：增益比，開關導通電阻，等效輸出電阻，輸出紋波，轉(zhuǎn)換效率等，這些概念將有助于推導出電荷泵的一些量化關系，包括輸出電壓的表達式。C1 的電荷將在 Φ1 階段重新得到補充。C1 連入電源 Vin和地之間。通過電荷泵實現(xiàn)的 DCDC 轉(zhuǎn)換器，被稱作電荷泵轉(zhuǎn)換器或開關電容轉(zhuǎn)換器 [7]。它實際上是一個基準、比較、轉(zhuǎn)換和控制電路組成的系統(tǒng)。該器件靜態(tài)電流僅為 40μA，并有關閉電源控制，外圍元件僅 5 個電容，若采用貼片式電容，整個電源面積小于 平方英寸。MAX881R、ADP3603～ADP360AIC1840/1841 等都有這種功能。工作頻率在幾 kHz 到幾十 kHz 時，往往需要外接10μF 的泵電容；新型器件工作頻率已提高到幾百 kHz，個別的甚至到 1MHz，其外接泵電容容量可降到 1～。ICL7660 的靜態(tài)電流典型值為 170μA，新產(chǎn)品 TCM828 的靜態(tài)電流典型值為 50μA，MAX1673 的靜態(tài)電流典型值僅為 35μA。這些改進型器件功能與 ICL7660相同，性能上有改進，管腳排列與 ICL7660 完全相同，可以互換。紋波電壓調(diào)制型 PFM 控制的優(yōu)點有 [4]：(1)輸出電壓或其分壓直接作為遲滯比較器的輸入，不經(jīng)過誤差放大器和斜波比較，環(huán)路簡單，沒有調(diào)整延遲；(2)無需設計補償電路，沒有穩(wěn)定性問題。為了實現(xiàn)最優(yōu)化控制，應該采用輸出電壓和電感電流雙反饋的控制環(huán)路，這種控制方法，稱為電流型 PWM 控制。本小節(jié)中將逐一對這些控制環(huán)路作出介紹。 調(diào)制 PWM 調(diào)制，是通過保持開關周期不變、管導通占空比的目的。分析電感電流連續(xù)情況下電容 Cout上的電流 Ic，其波形和 IL的一樣，只是在 ILIout時，Ic 大于 0,電容充電；在 ILIout時，Ic 小于 0，電容放電。在 0t0時間段內(nèi)，S 1導通，S 2截止，V SW電壓等于輸入電壓 Vin。 圖 22BUCK 轉(zhuǎn)換器電感電流連續(xù)時的波形圖(a)Vsw；(b)I L 在 0—ton時間段內(nèi)，S 1導通，S 2截止，SW 點的電壓為 VSW等于輸入電壓 Vin；而在 ton T 時間段內(nèi)，S 1截止，S 2導通，SW 點的電壓為 0。 DCDC 轉(zhuǎn)換器是一種開關電源，從功能上劃分，可分為三種基本類型；降壓型轉(zhuǎn)換（Buck Converter)、升壓型轉(zhuǎn)換器(Boost Converter)、降壓一升壓型轉(zhuǎn)換器(BuckBoost Converter)。DCDC 轉(zhuǎn)換器（開關調(diào)整器）通過開關動作進行升壓或降壓，特別是晶體管或場效應管處于快速開關時，會產(chǎn)生尖峰噪音，以及電磁干擾。近年來，已有不少文獻報道了各種低壓差 LDO，這樣，可極大地提高 LDO 的轉(zhuǎn)換效率。電荷泵電壓變換器是利用電容的充放電來提供穩(wěn)壓電源，由于其功率管也是工作在開關狀態(tài)，因此它實際上也是一種 DCDC 變換器。并在最后做一個小節(jié)。第一級主要用來提供增益和帶寬，由基準電壓和反饋電壓 Vfb作為其差分輸入；第二級用來提供快速瞬態(tài)響應，因此也將LDO 的輸出 Vout的分壓 Vfb引進，和第一級運放的輸出一起，作為第二級的差分輸入。主要使用的有 SO 封裝、SOT23 封裝，uMAX 封裝、SC70 封裝和 SMD 封裝等，其中 SC70 封裝最小，SMD 封裝最新。177。這些都要求穩(wěn)壓器 IC在各種情況下都保持穩(wěn)定輸出而不發(fā)生穩(wěn)定性的問題。本文正是處于這樣的市場和時代背景下，展開了針對便攜式電子設備電源管理芯片廣泛的研究。眾所周知集成化一直是半導體產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，電源管理芯片也不例外。 總的來說，電池保護芯片的發(fā)展方向，是將進一步提高電壓檢測的精度、降低靜態(tài)功耗和提高防止誤動作的能力。圖 11 按應用劃分的全球電池與電源管理市場 在應用需求方面，從圖 11 可看出，以下幾個重要領域?qū)﹄姵嘏c電源管理的需求尤甚 [1]：(1)通信領域，尤其是移動通訊目前對電池與電源管理的需求最為強勁；2 / 47(2)消費類電子產(chǎn)品，如 MP3，MP數(shù)碼相機等，這部分市場份額在逐年遞增，甚至有趕超通訊領域的勢頭；(3)計算機領域，這雖然是傳統(tǒng)領域，但近年來隨著筆記本電腦市場的快速發(fā)展，使得該領域?qū)﹄姵嘏c電源管理的需求日益增強；(4)汽車電子，目前這部分的市場份額雖不及前面三項，但在最近兩年，卻取得了超過 40%的高增長率，隨著混合動力汽車和電動力汽車的興起，汽車電子類電池與電源管理芯片市場將是發(fā)展最快的領域 [2]；(5)工業(yè)運用。關鍵詞：雙模式 DCDC 轉(zhuǎn)換器；LDO 線性調(diào)整器；平均化建模3 / 47Abstract This paper do the research and design in view of the portable electronic devices power management chips. First, introduced three kinds of realization of the battery power or other will transform electrical energy constant voltage or constant current output methods: DCDC converter, the charge pump voltage converter, LDO linear regulator, and do a parative study. Then, the paper regard researching LDO linear regulator as the key. First, research the LDO basic theory, analyzes the frequency pensa