【文章內(nèi)容簡介】 L 從圖 23 中可以看出間段內(nèi)，電感電流不連續(xù)模式的一個重要特征是，ton+toffT。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。開始仍舊以式表示斜率上升。在 tonton+toff時間段內(nèi)，S 1截止，S 2導通，V SW電壓等于0；以式(44)表示的斜率下降，并于 ton+toff時刻下降至 0。而在 ton+toffT 時間段9 / 47內(nèi) S1和 S2均截止，電感中維持零電流，負載 Rout由電容 Cout供電。因此有 0ofonfonuti outtTtVVT????? （） iutoutLnfIL??? （）由式可得輸出電壓 Vout，為 out39。inD??? （） 由式可以看出，如圖所示的電路結(jié)構(gòu)，其輸出電壓 VOUT只會低于輸入電壓 Vin，因此這種電路結(jié)構(gòu)稱為降壓變換器。 在圖所示的 DCDC 轉(zhuǎn)換器中，把所有的電路元器件均看作理想的情況下，其輸出功率等于輸入功率，因此 DCDC 轉(zhuǎn)換器具有很高的效率。但是另一方面，輸出電壓上具有小幅紋波。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 Ic 從低至高穿越零點時，電容電壓被放電至最低值；在 Ic 從高至低穿越零點時，電容電壓被充電到最高值。V out上的紋波電壓也即電容上最高和最低電壓的差值，可以表示為 VoutD39。T2/8LC。因此，增大 LC，減小工作周期 T，可減小輸出電壓的紋波 [7]。 DCDC 轉(zhuǎn)換器的調(diào)制方式 由工作原理分析可知，改變一個開關周期中開關導通與截止的占空比，能改變DCDC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出電壓和負載等的變化調(diào)制占空比的方式，主要有脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation PWM)方式、脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation PFM)方式和諧振調(diào)制方式這三種。其中諧振調(diào)制因為一般應用于大功率、輸出電壓變化范圍窄的場合，不適用于便攜式電子設備，因而在這一節(jié)中，將只針對前兩種調(diào)制方式做出介紹。 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。由于 PWM 調(diào)制下，而改變脈沖寬度的方式，來達到調(diào)整開關功率開關周期固定，因此可以選擇一個合適的工作頻率，以避開可能對負載電路產(chǎn)生影響的頻段。實現(xiàn) PWM 調(diào)制的控制環(huán)路結(jié)構(gòu)簡單。其轉(zhuǎn)換效率在大負載電流的情況下很高，但隨著負載電流的減小，由于其開關頻率固定，使驅(qū)動損耗等無用功耗所占比例增大，而導致轉(zhuǎn)換效率降低。二. PFM 調(diào)制方式 PFM 調(diào)制方式通過改變開關頻率來改變占空比，因此在輸出電流較小時，能夠通過降低開關頻率來減少無用功耗所占比例，得到比 PWM 模式高的轉(zhuǎn)換效率。但同10 / 47時，由于 PFM 調(diào)制的開關頻率變化大，因而負載電路需要有濾波電路，增加了體積和設計的復雜度。并且，由 PFM 調(diào)制的 DCDC 轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓的紋波也比 PWM調(diào)制下的大。 DCDC 轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路 PWM 調(diào)制從控制環(huán)路實現(xiàn)方法上來說，又可以分為電壓模式(Voltage Mode)、峰值電流模式(Peak CurrentMode)和平均電流模式(Average CurrentMode )；而PFM 調(diào)制的典型控制環(huán)路實現(xiàn)方法主要是紋波電壓調(diào)制(Ripple Voltage Modulation )。本小節(jié)中將逐一對這些控制環(huán)路作出介紹。 PWM 控制電壓型 PWM 控制中只含有一個反饋環(huán)路，且為電壓型反饋，結(jié)構(gòu)簡單。電壓型 PWM 控制的優(yōu)點有 [6]：(1)僅含一個反饋環(huán)路，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易；(2)對輸出負載變化的響應調(diào)節(jié)較好；(3)該控制方式中使用到的鋸齒波幅值較大，PWM 調(diào)節(jié)時的抗噪聲裕量較好；(4)結(jié)構(gòu)簡單且電路容易實現(xiàn)。(5)輸出電流大時轉(zhuǎn)換效率高。電壓型 PWM 控制的缺點有 [4]：(1)對輸入電壓的變化瞬態(tài)響應較慢；(2)環(huán)路增益隨輸入電壓變化而變化，使得頻率補償網(wǎng)絡的設計復雜度增加；(3)輸出處的 LC 濾波器使反饋環(huán)路中含有頻率較低的雙極點，頻率補償比較麻煩。(4)僅檢測輸出電壓而未檢測輸出電流，因此還需要額外的過流保護電路。 PWM 控制 DCDC 轉(zhuǎn)換器具有兩個狀態(tài)變量，分別為輸出電壓和電感電流，是一個二階系統(tǒng)。而電壓型 PWM 控制在反饋環(huán)路中僅使用到了輸出電壓變量而末使用電感電流變量。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。峰值電流反饋和均值電流反饋是電流型 PWM 控制的兩個基本類型。 峰值電流型 PWM 控制的優(yōu)點有 [4]： (1)具有較快的輸入電壓和負載瞬態(tài)響應；(2)瞬時峰值電流的限流功能，無須額外的過流保護電路。 峰值電流型 PWM 控制的缺點有 [4]：(1)難以校正峰值電流與平均電流的誤差實際輸出電壓和期望輸出電壓相比存在一定誤差；11 / 47(2)需要進行斜波補償；(3)片內(nèi)集成的高性能電流傳感電路不易實現(xiàn)。 PWM 控制均值電流型 PWM 控制與峰值電流型 PWM 的不同之處在于，在 PWM 比較器的前一級，又增加了一個電流誤差放大器 CA。均值電流型 PWM 控制的優(yōu)點有 [4]： (1)電感電流的平均值能夠高度精確地跟蹤基準電流信號，從而保證了輸出電壓的精度；(2)無需斜坡補償；(3)調(diào)試好的均值電流型 PWM 電路具有優(yōu)越的抗噪聲性能。 均值電流型 PWM 控制的缺點有 [4]： (1)電流放大器 CA 的增益和線性度不容易控制； (2)雙閉環(huán)的帶寬、增益等參數(shù)設計和調(diào)試難度都較大，電路的復雜度高； (3)高性能電流傳感電路的片內(nèi)集成不容易實現(xiàn)。 PFM 控制 紋波電壓調(diào)制 PFM 控制是一種遲滯型控制，具有絕對的穩(wěn)定性，不需要考慮補償問題，電路結(jié)構(gòu)簡單。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。紋波電壓調(diào)制型 PFM 控制的缺點有 [4]：(1)功率開關管的導通、截止時間與輸入電壓 Vin及輸出電流 Iout的大小直接相關，不同的輸入電壓 Vin和輸出電流 Iout會造成不同的開關頻率，增加了負載濾波電路設計的復雜度，并容易產(chǎn)生變頻噪聲；(2)電感電流幾不受環(huán)路控制，實際輸出電壓的紋波比理想值大；(3)系統(tǒng)延遲對輸出電壓 Vout的紋波有很大影響，遲滯比較器及功率開關管的驅(qū)動電路需要具有很快的速度，因此對功耗的要求大。 電荷泵電壓變換器基礎 電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器是將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換成相應的負電壓，即 Vout=Vin另外，它也可以把輸出電壓轉(zhuǎn)換成近兩倍的輸入電壓，即 Vout=2Vin。由于它是利用電容的充電，放電實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)換的原理構(gòu)成，所以這種電壓反轉(zhuǎn)器電路也稱為電荷泵變換器(Charge Pump Converter)。雖然有一些 DCDC 變換器除可以組成升壓、降壓電路外也可以組成電壓反轉(zhuǎn)電路，但電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器僅需外接兩個電容，電路最簡單，12 / 47尺寸小，并且轉(zhuǎn)換效率高、耗電少、所以它獲得了極其廣泛的應用。電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現(xiàn)電壓提升，采用電容器來貯存能量。因工作于較高頻率，可使用小型陶瓷電容器(1μF)，占用空間最小，使用成本較低。 80 年代末 90 年代初各半導體器件廠生產(chǎn)的電荷泵變換器是以 ICL7660 為基礎開發(fā)出一些改進型產(chǎn)品，如 MAXIM 公司的 MAX104Tel 公司的TC1044S、TC7660 和 LTC 公司的 LTC1044/7660 等。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。 這一類器件的缺點是：輸出電流??；輸出電阻大；振蕩器工作頻率低，使外接電容容量大；靜態(tài)電流大。 90 年代以后，隨著半導體工藝技術(shù)的進步與便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，各半導體器件公司開發(fā)出各種新型電荷泵變換器，它們在器件封裝、功能和性能方面都有較大改進，并開發(fā)出一些專用的電荷泵變換器。它們的特點可歸納為： 1. 提高輸出電流及降低輸出電阻 早期產(chǎn)品 ICL7660 在輸出 40mA 時，使5V 輸出電壓降為3V（相差 2V） ，而新型 MAX660 輸出電流可達 100mA，其輸出電阻 R0僅為 ，MAX660 在輸出 40mA 時，5V （相差僅 ） ，即輸出特性有較大的提高。MAX682 的輸出電流可達 250mA，并且在器件內(nèi)部增加了穩(wěn)壓電路，即使在 250mA 輸出時，其輸出電壓變化也甚小。這種帶穩(wěn)壓的產(chǎn)品還有 AD 公司的 ADM8660、LT 公司的 LT1054 等。 2. 減小功耗 為了延長電池的壽命或兩次充電之間的間隔，要盡可能減小器件的靜態(tài)電流。近年來，開發(fā)出一些微功耗的新產(chǎn)品。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。另外，為更進一步減小電路的功耗，已開發(fā)出能關閉負電源的功能，使器件耗電降到1μA 以下，另外關閉負電源后使部分電路不工作而進一步達到減少功耗的目的。例如，MAX662A、AIC1841 兩器件都有關閉功能，在關閉狀態(tài)時耗電小于 1μA，幾乎可忽略不計。這一類器件還有 TC112TC121ADM660 及 ADM8828 等。 3. 擴大輸入電壓范圍 ICL7660 電荷泵電路的輸入電壓范圍為 ～10V，為了滿足部分電路對更高負壓的需要，已開發(fā)出輸入電壓可達 18V 及 20V 的新產(chǎn)品，即可轉(zhuǎn)換成18 或20V 的負電壓。例如，TC96TC7662A 的輸出電壓范圍為 3～18V，ICL766Si7661 的輸入電壓可達 20V。 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。輸出電流一定時，電荷泵變換器的外接電容的容量與振蕩器工作頻率有關：工作頻率越高，電容容量越小。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 工作頻率為 10kHz，外接 10μF 電容；新型 TC7660H 的工作頻率提高到 120kHz，其外接泵電容已降為 1μF。MAX1680/1681 的工作頻率高達 1MHz，在輸出電流為 125mA 時，外接泵電容僅為 1μF。TC1142 工作頻率 200kHz，輸出電流20mA 時，外接泵電容僅為 。MAX881R 工作頻率 100kHz，輸出電流較小，其外接泵電容僅為 。若采用 SOT23 封裝的器件及貼片式電容，則整個電荷泵變換器的面積可做得很小。 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 VOUT 與 RR 2 的關系為： VOUT = (R2/R1)VREF 式中 VREF為外接的基準電壓。MAX881R、ADP3603～ADP360AIC1840/1841 等都有這種功能。 6. 兩種新型的四倍壓器件 MAX662A 是一種輸入 5V 電壓輸出 12V 帶穩(wěn)壓的電荷泵變換器，輸出電流可達30mA，它用于閃速存儲器編程電源（Flash Memory Programming Supply） 。該器件實際上是經(jīng)兩次倍壓（四倍壓）后其經(jīng)穩(wěn)壓后輸出。 LTC1502 是另一種工作原理與 MAX662A 相同的四倍壓器件（它是 LT 公司 1999 年一季度推出的新產(chǎn)品） 。該器件用一節(jié)可充電電池或一節(jié)堿性電池就可輸出 穩(wěn)定的電壓。另外，它最低的輸入電壓為 ，可充分利用電池的能量。輸出電壓精度為 177。4%，輸出電流為 10mA。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。 電荷泵僅用外部電容器即可提供177。2 倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR)和內(nèi)部開關晶體管的 RDS（ON） 。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感器，因此其輻射 EMI 可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容器濾除。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。電荷泵十分適用于便攜式應用產(chǎn)品的設計。它實