[发明专利]一种用梯形波驱动电荷泵DC-DC转换器的纹波抑制技术

说明书

技术领域：

本发明专利涵盖开关电容DC-DC转换器原理、纹波噪声抑制技术。

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。本发明提出了一种纹波抑制技术，在保证电源效率的同时，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：

模拟和射频电路通常采用噪声较低的线性稳压源，为了能够让电荷泵型DC-DC转换器能够应用于噪声敏感的场合，解决传统电荷泵型纹波噪声较大的问题，本专利提出了一种纹波抑制调制技术，在保证电源效率的同时，减小了输出端的纹波噪声。

发明内容：

本发明针对电荷泵型开关电源在输出端纹波较大的不足，提出了一种减小输出纹波的技术，原理图见附图1。传统电荷泵型开关电源中，作为开关的功率管的栅极受时钟信号高低电平控制，进入导通或者关断状态，从而控制电容的充放电。在电容充放电转换的瞬间，由于开关两端的压差较大，开关功率管中会产生较大脉冲电流，此脉冲电流与负载电流的差值将会注入到负载电容上，从而引起较大的输出电压纹波。为了解决这个问题，本发明采用梯形波电压信号驱动开关功率管(见附图2)，使其缓慢导通，在开关两端电压差较大时其导通电阻也较大，而压差小时导通电阻也减小，从而减小其上流过电流的尖峰，使泵电流和负载电流相匹配，进而减小输出电压纹波。

附图说明：

附图1包含梯形波开关驱动的开关电容DC-DC转换器系统框图

附图2梯形波驱动开关功率管原理图

附图3一种CMOS实现的梯形波发生器原理图

附图4梯形波和方波信号波驱动DC-DC输出电压对比

具体实施方式：

在与输出端相连的功率管处由梯形波产生电路(原理图见附图3)生成一个梯形波电压信号而不是陡峭的时钟信号加在功率管栅极上，使得功率管在电容放电过程中可以缓慢开启，，即调制功率管的导通电阻，从而可以控制流过功率开关管的电流，使其不再产生较大毛刺或者电流脉冲，使得开关电流近似趋向于负载电流，从而减小了在负载电容上多余的电荷堆积，达到减小了输出电压纹波的目的，效果见附图4。

一种用CMOS实现的下降沿梯形波产生器的原理图如附图3所示。其中，MP1和MN1形成一个非门，门控制输出电压CLK’输出端由低变到高时的充电电流的大小由MP1的大小决定。MN2和MN3组成一个电流镜，参考电流Ibias经过此电流镜拷贝到输出端，决定了输出端由高变低时的放电电流的大小。通过调整Ibias的大小可以调整输出端放电的快慢，从而调整梯形波的斜率。上升沿梯形产生器也可同理获得。