基于PFM调制的电荷泵

论文摘要

电池供电的便携式电子产品的发展,对DC/DC电源管理芯片提出了新的挑战,要求更低功耗、更小体积、更快响应、更小纹波。常见的DC/DC控制芯片有LDO、开关电感型和开关电容型。其中LDO是线性调整器,相对而言,其效率最低;电感型控制器尽管效率较高,但存在体积大,EMI高等缺点;而开关电容型电荷泵,效率较高,且具有功率密度高的优点,在几百毫安的负载范围内,其优势最为明显。本文在深入研究电荷泵功率级特性的基础上,综合分析了现存的各种控制模式,包括电压型控制模式、电流型控制模式和传统的PFM控制模式等,提出了一种新的变频(FR)控制模式。FR控制策略在重载、中载时采用连续的变频模式,使变换器达到更高的工作效率,同时减小其纹波电压;在轻载下采用传统的PFM控制策略,提高效率。本文的主要创新点如下:一、实现了一种新颖的变频(FR)控制策略。其优点是:效率高,纹波小,克服了传统PFM控制策略的缺点。二、建立了频率调制的电荷泵功率级模型。该模型为采用频率控制策略的电荷泵环路稳定性设计,提供了理论分析基础。迄今为止没有关于变频控制的电荷泵功率级模型的文章发表。文中第一章分析了各种常用的电荷泵功率级结构。在此基础上,第二章详细分析了不同的控制策略。第三章针对提出的变频(FR)控制策略,对交叉藕荷电荷泵功率级进行了小信号建模。第四章详细分析了系统的各个单元模块电路。其中包括误差放大器,振荡器,死区控制电路,电荷泵功率级,迟滞比较器,以及数字逻辑控制单元等。第五章对采用FR控制策略的电荷泵系统进行了理论分析,设计和仿真验证。本设计是在TSMC 0.35um 2P4M polycide工艺下进行的,并且使用CADENCE的Spectre仿真器进行了仿真验证,仿真的结果证明本文提出的变频(FR)控制策略被顺利实现,系统整体效率得到了明显的改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 表目录
• 第一章 电荷泵的发展概况
• 1.1 电荷泵电路的应用前景
• 1.2 增益拓扑类型的发展
• 1.2.1 单增益升压型控制器
• 1.2.1.1 普通倍压器
• 1.2.1.2 交叉耦合倍压器
• 1.2.1.3 DICKSON电荷泵
• 1.2.2 负压型控制器
• 1.2.3 多增益型控制器
• 1.3 开关电容型电源控制器的衡量标准
• 第二章 电荷泵的控制策略
• 2.1 电荷泵控制的种类
• 2.1.1 电压型模式控制
• 2.1.2 电流型模式控制
• 2.1.3 传统的PFM模式控制
• 2.2 提出的FR模式控制
• 2.2.1 基本的控制思想
• 2.2.2 FR控制策略的优点
• 第三章 频率调制的电荷泵功率级建模
• 3.1 推导开关型小信号模型的常用方法
• 3.1.1 状态空间平均
• 3.1.2 平均开关模型
• 3.2 频率调制电荷泵功率级DC模型的建立
• 3.3 频率调制电荷泵功率级AC模型的建立
• 3.4 频率调制电荷泵功率级模型的验证
• 第四章 FR控制模式的电荷泵单元模块电路设计
• 4.1 关键模块设计
• 4.1.1 电压基准
• 4.1.1.1 原理分析
• 4.1.1.2 电路设计
• 4.1.1.3 仿真结果
• 4.1.2 振荡器
• 4.1.2.1 原理分析
• 4.1.2.2 电路设计
• 4.1.2.3 仿真结果
• 4.1.3 误差放大器（EA）
• 4.1.3.1 原理分析
• 4.1.3.2 电路设计
• 4.1.3.3 仿真结果
• 4.1.4 非重叠时钟信号产生电路
• 4.1.5 迟滞比较器
• 4.1.5.1 原理分析
• 4.1.5.2 电路设计
• 4.1.5.3 仿真结果
• 4.1.6 功率级
• 4.1.6.1 原理分析
• 4.1.6.2 电路设计
• 4.1.6.3 仿真结果
• 4.1.7 过压保护电路
• 4.1.7.1 原理分析
• 4.1.7.2 电路设计
• 4.1.7.3 仿真结果
• 第五章 系统设计与仿真
• 5.1 系统补偿策略
• 5.2 系统时域和频域响应
• 5.2.2.1 一阶系统的时域和频域响应
• 5.2.2.2 二阶系统的时域和频域响应
• 5.3 FR系统级设计
• 5.3.1 原理分析
• 5.3.2 电路设计
• 5.3.3 系统的补偿策略
• 5.3.3.1 补偿策略的原理图
• 5.3.3.2 补偿电路设计
• 5.4 系统仿真结果
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢