一种用三个飞跨电容实现的五转换比电荷泵多相交织技术

摘要

开关电容型开关电源具有低EMI、高效率、体积小等优点，是电源管理系统的重要组成部分。本发明专利公开了一种采用三个飞跨电容实现的电荷泵型DC-DC转换器多相交织技术，对于×2、×1、×2/3、×1/2和×1/3等多种电压转换比，其都能使充放电过程多相交织，减小电流尖峰脉冲和毛刺，从而减小输出纹波。

说明书

技术领域：

本发明专利涵盖电荷泵DC-DC转换器原理、纹波抑制技术、充放电多相交织技术。 

背景技术：

随着集成电路技术的不断发展，便携式移动终端的大量出现，尤其是近几年，智能手机、平板电脑、GPS等产品的普及，电子系统对供电电源也提出了更多的要求，例如：便携性、低功耗、输出稳定、高效率等，推动了便携式电子设备电源技术的发展。电子系统通常不能由电池或电源适配器为其直接供电，而需要一个电压调制器将不稳定的直流电压转换为稳定的系统供电电源。目前，DC-DC转换器主要分为两类：线性稳压器和开关电源调制器。线性稳压器具有低纹波、低噪声、设计简单等优点，广泛应用于对噪声敏感的场合，但其也有效率较低和只能实现降压等缺点。开关电源又分为电感型和电容型。其中，电感型开关电源储能元件为电感，优点是转换效率高，缺点是在输出端具有纹波干扰，并且有电磁干扰(EMI)问题；电容型(又称电荷泵型)开关电源使用电容作为储能元件，大大降低了EMI，转换效率也较高，缺点是输出端纹波噪声较大。 

模拟和射频电路对噪声敏感，通常采用线性稳压源供电，这虽然避免了电源的噪声干扰，但系统效率较低。传统电荷泵型DC-DC转换器效率较高、又没有EMI干扰，如果能解决其纹波噪声较大的问题，则可将电荷泵型DC-DC转换器应用于噪声敏感的模拟和射频电路，从而提高系统效率，这对便携系统尤其重要。 

为了降低纹波，一种方法是在电荷泵后串接一个线性稳压源，在输出稳压的同时，减小了纹波。由于这种方案中应用了效率较低的线性稳压源作为抑制纹波的滤波器，使整体效率较低。另一种常用的减小电荷泵输出纹波的方法是输出电压的多相交织，即将基本电荷泵拓扑复制多份并将它们的充放电时序错开一定相位，从而抵消纹波。然而，这种方法会导致飞跨电容的数量成倍增加。有些原本只需1个飞跨电容的转换比，如×1、×2、×1/2等，只需要增加1个飞跨电容就可实现两相；而对于本来需要2个飞跨电容的增益，如×3/2、×2/3、×1/3，则需要增加2个飞跨电容；以此类推，如果用3相交织，则需要增加4个(共6个)飞跨电容，这将造成系统成本的增加，尤其是对集成化的实现还会额外增加的芯片引脚数量。本发明提出了一种使用了三个飞跨电容的多相交织技术，可以用于×2、×1、×2/3、×1/2和×1/3等多种电压转换比，在保证电荷泵开关电源效率的同时，减小了输出的纹波噪声，使开关电容型DC-DC转换器为模拟和射频电路供电成为可能。 

发明内容：

本发明针对传统电荷泵型开关电源多相交织技术导致飞跨电容数量成倍增加的不足，提出了一种利用三个飞跨电容实现的电荷泵充放电多相交织技术，该技术可应用于×2、×1、×2/3、×1/2和×1/3等多个电压转换比，实现多相位交织，抑制输出纹波。 

一个包含了新型多相交织技术的电荷泵系统原理图如附图1，其由开关电容阵列(2)、误差放大器、多相时钟产生、以及模式控制等模块组成。虽然附图1中的系统对输出的调制 采用了脉冲频率调制(PFM)，但本发明也可应用于其它类型的输出电压调制方式。 

附图2中所示的开关电容阵列(2)中包含了三个飞跨电容(6-1、6-2和6-3)和十五个开关(5-1至5-15)。附图3至附图7分别显示了×2、×1、×2/3、×1/2和×1/3等五种转换比下开关阵列的拓扑状态图，其中×2和×1转换比具有3个状态，而×2/3、×1/2和×1/3具有6个状态。为简化起见，状态图中没有画出开关，只画出了三个飞跨电容(6-1、6-2和6-3)与电源(1)、输出(3)及地线(4)之间的连接关系。 

系统启动后，模式控制模块根据电源(1)电压和输出(3)电压动态地选择电压转换比，多相时钟产生模块和时钟驱动模块根据特定电压转换比产生所需要的驱动开关的时钟信号。如果选定的电压转换比为×2或×1，开关电容阵列顺序经过拓扑状态1(7-1或8-1)、拓扑状态2(7-2或8-2)和拓扑状态3(7-3或8-3)，然后回到拓扑状态1(7-1或8-1)，循环往复；如果选定的电压转换比为×2/3、×1/2或×1/3，开关电容阵列顺序经过拓扑状态1(9-1、10-1或11-1)、拓扑状态2(9-2、10-2或11-2)、拓扑状态3(9-3、10-3或11-3)、拓扑状态4(9-4、10-4或11-4)、拓扑状态5(9-5、10-5或11-5)、拓扑状态6(9-6、10-6或11-6)，然后回到拓扑状态1(91、10-1或11-1)，循环往复。 

由附图3至附图7中的状态图可知，在各个电压转换比下，三个飞跨电容都经过相同的充放电时序，而三个飞跨电容的充放电时序又存在相同的相位差，从而实现了充放电的多相交织，减小了输出的纹波。 

附图说明：

附图1一种包含新型多相交织技术的电荷泵DC-DC转换器系统框图； 

附图2开关电容阵列拓扑图； 

附图3转换比为×2时的拓扑状态图； 

附图4转换比为×1时的拓扑状态图； 

附图5转换比为×2/3时的拓扑状态图； 

附图6转换比为×1/2时的拓扑状态图； 

附图7转换比为×1/3时的比拓扑状态图。 

具体实施方式：

1.本发明中的电荷泵系统如附图1所示，其由开关电容阵列(2)、误差放大器、多相时钟产生、以及模式控制等模块组成，其对输出电压调制的方式没有限制。 

2.开关电容阵列(2)中包含了三个飞跨电容(6-1、6-2和6-3)和十五个开关(5-1至5-15)，如附图2所示。其中，三个飞跨电容的上极板分别通过开关(5-1)、(5-6)和(5-11)与输入电源(1)相连，同时通过开关(5-2)、(5-7)和(5-12)与输出负载(3)相连；三个飞跨电容(6-1)、(6-2)和(6-3)的下极板分别通过开关(5-3)、(5-8)和(5-13)与地线(4)相连，同时通过开关(5-4)、(5-9)和(5-14)与输出负载(3)相连；飞跨电容(6-1)、(6-2)和(6-3)通过开关(5-5)、(5-10)和(5-15)连接成环形拓扑。 

3.系统启动后，模式控制模块根据电源(1)电压和输出(3)电压动态地选择电压转换比，多相时钟产生模块和时钟驱动模块根据特定电压转换比产生所需要的驱动开关的时钟信号，使三个飞跨电容经过相同的充放电时序，而三个充放电时序又存在相同的相位差。 

4.如果电压转换比是×2，开关电容阵列拓扑时序(7)如附图3所示，共有三个状态(7-1、7-2和7-3)： 

1)第一个状态(7-1)，飞跨电容(6-1)上下极板分别与电源(1)和地线(4)相连，飞跨电容(6-2)的上极板与输出(3)相连，下极板与飞跨电容(6-3)的上极板相连，飞跨电容(6-3)的下极板与地线(4)相连； 

2)第二个状态(7-2)，飞跨电容(62)上下极板分别与电源(1)和地线(4)相连，飞跨电容(6-3)的上极板与输出(3)相连，下极板与飞跨电容(6-1)的上极板相连，飞跨电容(6-1)的下极板与地线(4)相连； 

3)第三个状态(7-3)，飞跨电容(6-3)上下极板分别与电源(1)和地线(4)相连，飞跨电容(6-1)的上极板与输出(3)相连，下极板与飞跨电容(6-2)的上极板相连，飞跨电容(6-2)的下极板与地线(4)相连； 

开关电容阵列顺序经历状态7-1，状态7-2，再到状态7-3，然后回到状态7-1，循环往复。 

5.如果电压转换比是×1，开关电容阵列拓扑时序(8)如图4所示，其共有三个状态(8-1、8-2和8-3)： 

1)第一个状态(8-1)，飞跨电容(6-1)上下极板分别与电源(1)和地线(4)相连，飞跨电容(6-2)和(6-3)的上下极板分别与输出(3)与地线(4)相连； 

2)第二个状态(8-2)，飞跨电容(6-2)上下极板分别与电源(1)和地线(4)相连，飞跨电容(6-1)和(6-3)的上下极板分别与输出(3)与地线(4)相连； 

3)第三个状态(8-3)，飞跨电容(6-3)上下极板分别与电源(1)和地线(4)相连，飞跨电容(6-1)和(6-2)的上下极板分别与输出(3)与地线(4)相连； 

开关电容阵列顺序经历状态8-1，状态8-2，再到状态8-3，然后回到状态8-1，循环往复。 

6.如果电压转换比是×2/3，开关电容阵列拓扑时序(9)如图5所示，其共有六个状态(9-1、9-2、9-3、9-4、9-5和9-6)： 

1)第一个状态(9-1)，飞跨电容(6-1)和(6-2)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-3)的上极板悬空，下极板与地线(4)相连或悬空； 

2)第二个状态(9-2)，保持飞跨电容(6-2)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-3)上极板与输出(3)相连，下极板与飞跨电容(6-1)上极板相连，飞跨电容(6-1)下极板与地线(4)相连； 

3)第三个状态(9-3)，飞跨电容(6-2)和(6-3)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-1)的上极板悬空，下极板与地线(4)相连或悬空； 

4)第四个状态(9-4)，保持飞跨电容(6-3)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-1)的上极板与输出(3)相连，下极板与飞跨电容(6-2) 上极板相连，飞跨电容(6-2)下极板与地线(4)相连； 

5)第五个状态(9-5)，飞跨电容(6-1)和(6-3)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-2)的上极板悬空，下极板与地线(4)相连或悬空； 

6)第六个状态(9-6)，保持飞跨电容(6-1)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-2)上极板与输出(3)相连，下极板与飞跨电容(6-3)上极板相连，飞跨电容(6-3)下极板与地线(4)相连； 

开关电容阵列顺序经历状态9-1，状态9-2，状态9-3，状态9-4，状态9-5，再到状态9-6，然后回到状态9-1，循环往复。 

7.如果电压转换比是×1/2，开关电容阵列拓扑时序(10)如图6所示，其共有六个状态(10-1、10-2、10-3、10-4、10-5和10-6)： 

1)第一个状态(10-1)，飞跨电容(6-1)和(6-2)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-3)的上下极板分别与输出(3)与地线(4)相连； 

2)第二个状态(10-2)，保持飞跨电容(62)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6一1)和(6-3)上极板分别与输出(3)和地线(4)相连； 

3)第三个状态(10-3)，飞跨电容(6-2)和(6-3)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-1)的上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连； 

4)第四个状态(10-4)，保持飞跨电容(6-3)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-1)和(6-2)的上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连； 

5)第五个状态(10-5)，飞跨电容(6-1)和(6-3)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-2)的上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连； 

6)第六个状态(10-6)，保持飞跨电容(6-1)上下极板分别与电源(1)和输出(3)相连，飞跨电容(6-2)和(6-3)上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连； 

开关电容阵列顺序经历状态10-1，状态10-2，状态10-3，状态10-4，状态10-5，再到状态10-6，然后回到状态10-1，循环往复。 

8.如果电压转换比是×1/3，开关电容阵列拓扑时序(11)如图7所示，其共有六个状态(11-1、11-2、11-3、11-4、11-5和11-6)： 

1)第一个状态(11-1)，飞跨电容(6-1)和(6-2)上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连，飞跨电容(6-3)的上下极板至少有一个是悬空的，上极板接电源(1)或悬空，下极板悬空或连接输出(3)； 

2)第二个状态(11-2)，保持飞跨电容(6-2)上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连，飞跨电容(6-3)上极板与电源(1)相连，下极板与飞跨电容(6-1)上极板相连，飞跨电容(6-1)下极板与输出(3)相连； 

3)第三个状态(11-3)，飞跨电容(6-2)和(6-3)上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连，飞跨电容(6-1)的上下极板至少有一个是悬空的，上极板接电源(1)或悬空，下极板悬空或连接输出(3)； 

4)第四个状态(11-4)，保持飞跨电容(6-3)上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连，飞跨电容(6一1)的上极板与电源(1)相连，下极板与飞跨电容(6-2)上极板相连，飞跨电容(6-2)下极板与输出(3)相连； 

5)第五个状态(11-5)，飞跨电容(6-1)和(6-3)上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连，飞跨电容(6-2)的上下极板至少有一个是悬空的，上极板接电源(1)或悬空，下极板悬空或连接输出(3)； 

6)第六个状态(11-6)，保持飞跨电容(6-1)上下极板分别与输出(3)和地线(4)相连，飞跨电容(6-2)的上极板与电源(1)相连，下极板与飞跨电容(6-3)上极板相连，飞跨电容(6-3)下极板与输出(3)相连； 

开关电容阵列顺序经历状态11-1，状态11-2，状态11-3，状态11-4，状态11-5，再到状态11-6，然后回到状态11-1，循环往复。 

附图标记列表： 

Vin         输入电源电压 

Vout        输出电压 

Vf          反馈电压 

Vref        参考电压 

Vcon        误差放大器输出电压 

Vbat        输入电源 

R₁          输出分压电阻1 

R₂          输出分压电阻2 

R_L          负载电阻 

C_L          负载电容 

1           输入电源 

2           开关电容阵列 

3           输出端 

4           地线 

5-1～5-15   开关1～15 

6-1～6-3    飞跨电容1～3 

7           转换比为×2时的拓扑状态图 

8           转换比为×1时的拓扑状态图 

9           转换比为×2/3时的拓扑状态图 

10          转换比为×1/2时的拓扑状态图 

11          转换比为×1/3时的拓扑状态图 

7-1～7-3    转换比为×2时的状态1～3 

8-1～8-3    转换比为×1时的状态1～3 

9-1～9-6    转换比为×2/3时的状态1～6 

10-1～10-6  转换比为×1/2时的状态1～6 

11-1～11-6  转换比为×1/3时的状态1～6。