一種PFM電荷泵充放電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，電源管理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品，因此電源管理芯片尤其重要。而電源管理芯片的驅(qū)動(dòng)電路隨著應(yīng)用產(chǎn)品的不同而不同的變化，如采用額外的專用驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，不僅占用更多的系統(tǒng)資源，而且成本過(guò)高，這在應(yīng)用到許多消費(fèi)類電子產(chǎn)品中是難以接受的。本文討論的是一款普通消費(fèi)類電子芯片的驅(qū)動(dòng)電路，從降低成本考慮，芯片采用BiCmos 0.6 um制造工藝，從降低功耗考慮，芯片采用5V電源供電，內(nèi)置電源絡(luò)壓電路，將驅(qū)動(dòng)電路集成在電源芯片中。

2.充放電系統(tǒng)調(diào)制方式

充放電系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)基本的控制方法有兩種，分別是脈沖寬度調(diào)制(PWM)；脈沖頻率調(diào)制(PFM)。PWM是開(kāi)關(guān)頻率恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)改變占空比，實(shí)現(xiàn)充電時(shí)間的控制；PFM是脈沖寬度恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改變開(kāi)關(guān)通斷比，從而實(shí)現(xiàn)充電放電時(shí)間的控制。

PWM調(diào)制是DC-DC轉(zhuǎn)換器中很常用的調(diào)制方式，通過(guò)負(fù)載反饋信號(hào)與內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，然后得到頻率恒定而脈沖寬度不同的方波信號(hào)，用這些信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管從而穩(wěn)定輸出電壓，其波形如圖1所示。

從圖可以看出，反饋信號(hào)與鋸齒波相交，反饋信號(hào)大于鋸齒波時(shí)，PWM控制信號(hào)輸出高電平；當(dāng)反饋信號(hào)小于鋸齒波時(shí)，PWM信號(hào)輸出低電平，PWM控制方式在輕負(fù)載時(shí)效率不高。

PFM在需要向負(fù)載傳遞電荷的時(shí)候才啟動(dòng)電荷泵工作，當(dāng)輸出電壓高于5V的時(shí)候，電荷泵轉(zhuǎn)換器停止工作，而當(dāng)輸出電壓低于5V的時(shí)候電荷泵啟動(dòng)，直到輸出電壓升到目標(biāo)電壓。

由圖2可得，反饋信號(hào)低于比較信號(hào)時(shí)，PFM等脈寬工作，而反饋信號(hào)高于目標(biāo)調(diào)制電壓時(shí)，PFM信號(hào)頻率為0，電荷泵停止工作，等到放電使得輸出電壓降低后，電荷泵繼續(xù)啟動(dòng)，周而復(fù)始，系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸出電壓。

相對(duì)于PWM調(diào)制而言，PFM在峰值相當(dāng)?shù)那闆r下，PFM的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PWM，當(dāng)輕載時(shí)，電荷泵處于低工作電流的空閑狀態(tài)。電荷泵只是被偶爾啟動(dòng)，動(dòng)態(tài)損耗大大減小，總的工作電流被降到最低。本文采用PFM調(diào)制控制方式，當(dāng)輸出電壓高于目標(biāo)電壓時(shí)，電荷泵停止；當(dāng)輸出電壓低于目標(biāo)電壓時(shí)，電荷泵啟動(dòng)。偶爾啟動(dòng)電荷泵進(jìn)行充放電，提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

3.電荷泵充放電系統(tǒng)

電荷泵開(kāi)關(guān)連接電路如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電路輸出的C1、C3、C4信號(hào)分別控制各個(gè)大功率開(kāi)關(guān)，由于在驅(qū)動(dòng)模塊經(jīng)反相器處理過(guò)延時(shí)，確保C1、C3、C4信號(hào)任何時(shí)刻不存在兩個(gè)相位狀態(tài)管同時(shí)導(dǎo)通的情況，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提出了更高的要求。電路中加入了外部元件快速充電器C_FLY，C_FLY分別接芯片的C+與C-引腳。

驅(qū)動(dòng)信號(hào)同一時(shí)刻不能使得前后兩個(gè)相位狀態(tài)下功率開(kāi)關(guān)管同時(shí)打開(kāi)。圖3中C3和C1是相位相同并且不交替的信號(hào)，為了防止M1、M2和M3同時(shí)導(dǎo)通損耗能量，要發(fā)生開(kāi)關(guān)動(dòng)作首先要關(guān)閉M3管，只有在M3管完全關(guān)閉的情況下，才能開(kāi)啟M1和M2；反過(guò)來(lái)，當(dāng)M3處在關(guān)閉的情況下要開(kāi)啟M3管，首先應(yīng)該關(guān)閉M1和M2管。

另外芯片工作過(guò)程中，VOUT端口的電平為穩(wěn)定5V，為了消除襯底偏值對(duì)M5和M6的影響，在VOUT和PAD_C+之間接入了M7和M8這兩個(gè)管子，用來(lái)比較VOUT和PAD_C+之間的高電平，抬高襯底電壓。

電路中驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管的柵極電壓需要盡量大的擺動(dòng)幅度，而只將輸入電壓作為驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓時(shí)，在低輸入電壓時(shí)驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法輸出高達(dá)5V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因此本文設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)須具有比較功能的電平轉(zhuǎn)換電路，在輸入電壓與輸出電壓之間做簡(jiǎn)單的比較，把兩者之間高的電壓作為驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓，保證在輸出電壓建立過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電路能夠提供正確的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖1 PWM工作原理圖

圖2 PFM工作原理

圖3 大功率MOS開(kāi)關(guān)管電路

4.電平轉(zhuǎn)換器

系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)電平選擇功能，VOUT>VIN時(shí)，電平轉(zhuǎn)換器的供電電平為VOUT；VOUT

芯片穩(wěn)定工作后，電荷泵將輸出電壓穩(wěn)定在5V左右，此時(shí)VD>VDD(VIN)，電平轉(zhuǎn)換的原理圖如下圖4所示。

圖4中電平轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)V_low送進(jìn)電平轉(zhuǎn)換器，M5、M6、M7、M8組成一個(gè)正反饋比較器，其他供電電壓為升壓通路的輸出電壓VD，圖4中電路在工作時(shí)，VD比VIN大，V_low的控制信號(hào)和其反相信號(hào)分別送入M8、M6的柵極。若V_low為高電平，則M6導(dǎo)通，M8截止，通過(guò)反饋通路，V_high輸出高電平，其大小與VD等值。若V_low為低電平，則M6截止，M8導(dǎo)通，V_high輸出低電平。由此實(shí)現(xiàn)了柵極控制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路

5.驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的具體電路如圖5所示。輸出輸入信號(hào)線功能描述如下：

VOUT(模塊輸入信號(hào))：芯片輸出電壓。

C1、C3、C4(模塊輸出信號(hào))：700KHz方波信號(hào)。

C2(模塊輸入信號(hào))：700KHz方波信號(hào)。

VDD(模塊輸入信號(hào))：電源電壓即輸入電壓。

VD：當(dāng)VDD(VIN)>VOUT，VD=VIN；反之，VD=VOUT。

圖5 功率級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)直接輸送到電荷泵開(kāi)關(guān)管，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的充放電，因此需要信號(hào)的延遲小并且能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的進(jìn)行開(kāi)與關(guān)。但是芯片剛開(kāi)始工作時(shí)，輸出電壓接近0，僅有輸入電壓作為驅(qū)動(dòng)模塊的電源電壓，反相器中的PMOS管很容易進(jìn)入線性區(qū)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法正常工作。

芯片的輸出電壓VOUT端口的最高電平為5V，而輸入電源電壓是2.7V-5.5V，因而RC振蕩器輸出高電平也為2.7V-5.5V，對(duì)應(yīng)在驅(qū)動(dòng)電路中輸出的三個(gè)控制信號(hào)的高電平也為2.7V-5.5V。為了解決這個(gè)問(wèn)題，如圖5所示，在驅(qū)動(dòng)的電路模塊中將一對(duì)反向連接的二極管接在VOUT和VIN之間，這樣就可以保證驅(qū)動(dòng)電路的襯底電壓穩(wěn)定，進(jìn)而使得芯片得到穩(wěn)定的輸出，之后就直接用輸出電壓作為襯底電壓。驅(qū)動(dòng)電路C1、C3、C4端輸出信號(hào)仿真如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路C1、C3、C4端輸出波形

6.總結(jié)

本文通過(guò)比較PFM和PWM兩種調(diào)制方式開(kāi)始對(duì)充放電系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用PFM作為系統(tǒng)的調(diào)制方式；設(shè)計(jì)了PFM電荷泵系統(tǒng)電路、電平轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮細(xì)節(jié)也做了詳細(xì)的分析，最終使得驅(qū)動(dòng)電路能滿足充放電系統(tǒng)的要求。

[1]毛振鋒,王繼安,汪強(qiáng)等.單片電流模式降壓型DCDC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī),2006(3):7-10.

[2]鄧?yán)?升降壓雙通路電荷泵轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計(jì)[D].浙江大學(xué),2007.

[3]曹香凝,汪東旭,嚴(yán)利民.DC-DC電荷泵的研究與設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù),2004,12(5):14-16.

[4]徐冬,唐禎安.一種用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片的過(guò)熱保護(hù)電路[J].微電子學(xué),2007,37(6):903-906.