【正文】 獲得負(fù)電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數(shù)量、減少產(chǎn)品的體積、重量，并且在少能耗〔延長電池壽命)方面起到極大的作用。例如 D/A 變換器電路、A /D 變換器電路、V/F 或 F/V 變換電路，運(yùn)算放大器電路、電壓比較器電路等等。它實(shí)際上是一個(gè)基準(zhǔn)、比較、轉(zhuǎn)換和控制電路組成的系統(tǒng)。它的輸出電壓是工廠生產(chǎn)時(shí)精密預(yù)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(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開關(guān)級數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動空間。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感器，因此其輻射 EMI 可以忽略。2 倍的輸出電壓。該器件靜態(tài)電流僅為 40μA，并有關(guān)閉電源控制，外圍元件僅 5 個(gè)電容，若采用貼片式電容，整個(gè)電源面積小于 平方英寸。輸出電壓精度為 177。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。該器件實(shí)際上是經(jīng)兩次倍壓（四倍壓）后其經(jīng)穩(wěn)壓后輸出。MAX881R、ADP3603～ADP360AIC1840/1841 等都有這種功能。 5. 輸出負(fù)電壓可設(shè)定（調(diào)整） 一般的電荷泵變換器的輸出負(fù)電壓 VOUT = VIN，是不可調(diào)整的，但新型產(chǎn)品MAX1673 可外接兩個(gè)電阻 RR 2來設(shè)定輸出負(fù)電壓。MAX881R 工作頻率 100kHz，輸出電流較小，其外接泵電容僅為 。MAX1680/1681 的工作頻率高達(dá) 1MHz，在輸出電流為 125mA 時(shí)，外接泵電容僅為 1μF。工作頻率在幾 kHz 到幾十 kHz 時(shí)，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(gè)別的甚至到 1MHz，其外接泵電容容量可降到 1～。 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。 3. 擴(kuò)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(fù)壓的需要，已開發(fā)出輸入電壓可達(dá) 18V 及 20V 的新產(chǎn)品，即可轉(zhuǎn)換成18 或20V 的負(fù)電壓。例如，MAX662A、AIC1841 兩器件都有關(guān)閉功能，在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)耗電小于 1μA，幾乎可忽略不計(jì)。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。 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。MAX682 的輸出電流可達(dá) 250mA，并且在器件內(nèi)部增加了穩(wěn)壓電路，即使在 250mA 輸出時(shí)，其輸出電壓變化也甚小。 90 年代以后，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步與便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，各半導(dǎo)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(jìn)，并開發(fā)出一些專用的電荷泵變換器。這些改進(jìn)型器件功能與 ICL7660相同，性能上有改進(jìn)，管腳排列與 ICL7660 完全相同，可以互換。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。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(gè)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(yīng)用。 電荷泵電壓變換器基礎(chǔ) 電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器是將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負(fù)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。紋波電壓調(diào)制型 PFM 控制的優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，沒有穩(wěn)定性問題。 均值電流型 PWM 控制的缺點(diǎn)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(shè)計(jì)和調(diào)試難度都較大，電路的復(fù)雜度高； (3)高性能電流傳感電路的片內(nèi)集成不容易實(shí)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(gè)電流誤差放大器 CA。 峰值電流型 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)有 [4]： (1)具有較快的輸入電壓和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)；(2)瞬時(shí)峰值電流的限流功能，無須額外的過流保護(hù)電路。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制，應(yīng)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。 PWM 控制 DCDC 轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)狀態(tài)變量，分別為輸出電壓和電感電流，是一個(gè)二階系統(tǒng)。電壓型 PWM 控制的缺點(diǎn)有 [4]：(1)對輸入電壓的變化瞬態(tài)響應(yīng)較慢；(2)環(huán)路增益隨輸入電壓變化而變化，使得頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)復(fù)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(diǎn)，頻率補(bǔ)償比較麻煩。電壓型 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)有 [6]：(1)僅含一個(gè)反饋環(huán)路，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易；(2)對輸出負(fù)載變化的響應(yīng)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(shí)的抗噪聲裕量較好；(4)結(jié)構(gòu)簡單且電路容易實(shí)現(xiàn)。本小節(jié)中將逐一對這些控制環(huán)路作出介紹。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。二. PFM 調(diào)制方式 PFM 調(diào)制方式通過改變開關(guān)頻率來改變占空比，因此在輸出電流較小時(shí)，能夠通過降低開關(guān)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。實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)制的控制環(huán)路結(jié)構(gòu)簡單。 調(diào)制 PWM 調(diào)制，是通過保持開關(guān)周期不變、管導(dǎo)通占空比的目的。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出電壓和負(fù)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。因此，增大 LC，減小工作周期 T，可減小輸出電壓的紋波 [7]。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。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(shí)，Ic 大于 0,電容充電；在 ILIout時(shí)，Ic 小于 0，電容放電。 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。因此有 0ofonfonuti outtTtVVT????? （） iutoutLnfIL??? （）由式可得輸出電壓 Vout，為 out39。在 tonton+toff時(shí)間段內(nèi)，S 1截止，S 2導(dǎo)通，V SW電壓等于0；以式(44)表示的斜率下降，并于 ton+toff時(shí)刻下降至 0。在 0t0時(shí)間段內(nèi)，S 1導(dǎo)通，S 2截止，V SW電壓等于輸入電壓 Vin。除輸出電流 Iout過小以外，周期 T 過長，電感 L 過小也都能引發(fā)電感電流不連續(xù)的工作狀態(tài)。從圖中可以看出，t on與 toff之和等于一個(gè)周期 T,并且電感中也始終有電流，因此這種工作狀態(tài)被稱為電感電流連續(xù)模式。0ononSWi inintVDV???????? （）8 / 47 另一方面，對于電感電流 IL來說，在 0t0時(shí)間段內(nèi)，S 1導(dǎo)通，S 2截止，I L以某個(gè)固定斜率上升，該斜率可表示為： 1inoutVML?? （）TonT 時(shí)間段內(nèi)，S 2導(dǎo)通，S 1截止，I L以固定斜率下降，該斜率可表示為： 2out （） 在降壓轉(zhuǎn)換器處于穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)，輸出電流 Iout就等于 IL的平均值，并且電感電流上升段的增量與下降段的相等。 圖 22BUCK 轉(zhuǎn)換器電感電流連續(xù)時(shí)的波形圖(a)Vsw；(b)I L 在 0—ton時(shí)間段內(nèi)，S 1導(dǎo)通，S 2截止，SW 點(diǎn)的電壓為 VSW等于輸入電壓 Vin；而在 ton T 時(shí)間段內(nèi)，S 1截止，S 2導(dǎo)通，SW 點(diǎn)的電壓為 0。將 S2 在一個(gè)開關(guān)周期 T 中導(dǎo)通的時(shí)間記為 tOFF：相應(yīng)的，其導(dǎo)通占空比 ton/T記為 D39。通過 S1和 S2的輪流導(dǎo)通與截止，對輸入電壓進(jìn)行直流降壓轉(zhuǎn)換。 降壓型 DCDC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 21 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 圖 21 是降壓型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。 DCDC 轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)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)。當(dāng)輸入電壓降至一個(gè)接近輸出電壓的值時(shí)，占空比向最大導(dǎo)通時(shí)間增加，輸入電壓的進(jìn)一步降低將使主開關(guān)在超過一個(gè)周期的時(shí)間里保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到占空比達(dá) 100 %，這時(shí)電路可能會發(fā)生子諧波振蕩，需要通過一個(gè)斜率補(bǔ)償電路來保持這種恒定架構(gòu)的穩(wěn)定性，在大占空比情況下是通過給電感電流信號增加一個(gè)補(bǔ)償斜坡來實(shí)現(xiàn)的。電流模式控制方式有峰值電感電流控制和平均電感電流控制兩種方式。PWM 控制方式分電流模式控制和電壓模式控制兩種方式。DCDC 轉(zhuǎn)換器（開關(guān)調(diào)整器）通過開關(guān)動作進(jìn)行升壓或降壓，特別是晶體管或場效應(yīng)管處于快速開關(guān)時(shí)，會產(chǎn)生尖峰噪音，以及電磁干擾。因?yàn)?BJT 管需要對其基極提供驅(qū)動電流，這增加了電路的電流消耗，而MOSFET 是電壓驅(qū)動，無需對其柵極提供電流，也就不會增加電路的電流消耗。用 MOSFET 替換 BJT 晶體管作為外圍電路的開關(guān)部件對效率的影響。在討論 DCDC 轉(zhuǎn)換器的性能時(shí)，如果單針對控制芯片，是不能判斷其優(yōu)劣的。近年來，已有不少文獻(xiàn)報(bào)道了各種低壓差 LDO，這樣，可極大地提高 LDO 的轉(zhuǎn)換效率。讓LDO 工作在調(diào)制區(qū)臨界點(diǎn)附近，可得到相對較高的轉(zhuǎn)換效率。壓差是 LDO 線性穩(wěn)壓器的重要指標(biāo)，LDO 壓差(dropout voltage)的定義為，輸入電壓減小到使電路停止調(diào)制時(shí)的輸入輸出電壓差。 LDO 是一種基于傳統(tǒng)電壓閉環(huán)反饋控制的線性穩(wěn)壓器，具有噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、成本低及封裝尺寸小等突出優(yōu)點(diǎn)，因而在便攜式電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛 [5]。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(guān)狀態(tài)，因此它實(shí)際上也是一種 DCDC 變換器。開關(guān)電源通過調(diào)節(jié)功率晶體管的導(dǎo)通占空比，來控6 / 47制輸出電壓。 2. 便攜式電子設(shè)備電源管理芯片基礎(chǔ) 在便攜式電子設(shè)備電源管理芯片研究領(lǐng)域，主要有 DCDC 轉(zhuǎn)換器，電荷泵電壓變換器和 LDO。并對 LDO 線性穩(wěn)壓器做了軟件仿真。并在最后做一個(gè)小節(jié)。論文的第二章對 DCDC 轉(zhuǎn)換器，電荷泵變換器，便攜式設(shè)備用 LDO 做了簡單介紹。該芯片采用了 CSMC 公司 CMOS混合信號工藝進(jìn)行流片測試。另外，在該芯片的軟啟動5 / 47電路中，使用了反相導(dǎo)通的二極管進(jìn)行高溫補(bǔ)償，這種新穎的高溫補(bǔ)償技術(shù)使得LDO 的工作溫度范圍能夠擴(kuò)展到40130 。第一級主要用來提供增益和帶寬，由基準(zhǔn)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(yīng)，因此也將LDO 的輸出 Vout的分壓 Vfb引進(jìn)，和第一級運(yùn)放的輸出一起，作為第二級的差分輸入。 針對 LDO 的研究與設(shè)計(jì) 針對提高瞬態(tài)響應(yīng)性能，提出了一種雙反饋環(huán)路的 LDO 線性穩(wěn)壓器。包括電荷泵的基礎(chǔ)原理，優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展情況。并對其調(diào)制方式做了簡單介紹和說明。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。這些措施包括：輸出過流保護(hù)、溫度保護(hù)、短路保護(hù)以及電池極性反接保護(hù)。 mV/℃的水平；穩(wěn)壓器 IC 的輸出電壓受輸入電壓影響極小，反應(yīng)這一性能的負(fù)載調(diào)整率一般為 %/mA，有的則可達(dá)到 %/mA。177。177。 （4）輸出電壓精度高一般輸出電壓的精度要求為177?，F(xiàn)在很多 DCDC 轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 95%以上。 （2）負(fù)載電流變化大4 / 47 由于負(fù)載電路的工作狀態(tài)不定，所以穩(wěn)壓器 IC 的輸出電流通常會有很大變化，可從空載(無輸出電流)到幾百毫安，甚至幾個(gè)安培。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。通用型穩(wěn)壓器 IC 還可讓用戶指定輸出電壓。它們的共同特點(diǎn)有： （1）穩(wěn)定性高 筆記本電腦的 CPU 使用率隨時(shí)都在變化，因此穩(wěn)壓器 IC 的負(fù)載變化大。不同負(fù)載需要不同類型的電源。本文正是處于這樣的市場和時(shí)代背景下，展開了針對便攜式電子設(shè)備電源管理芯片廣泛的研究。目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界正在針對如何提高電池的功率轉(zhuǎn)換效率和利用效率、延長續(xù)航時(shí)間提高使用壽命，如何進(jìn)行電池與電源管理系統(tǒng)的體系革新進(jìn)行富有意義的產(chǎn)品和技術(shù)