一種便攜式通信設備開關電源設計

向 敏 趙星宇

(重慶郵電大學 工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，中國 重慶400065)

0 引言

電源作為電子設備不可或缺的一部分，高效率的電源管理技術對產品性能的提升具有很大的幫助，便攜式設備尤其突出[1]。不同設備對電源的要求不盡相同，對電源的某些參數如輸出電壓、電流能力、效率等，以及對電源的體積、可靠性等指標也會有所差別[2]。隨著電子產品向輕、薄、小以及多功能、智能化方向發展，電池作為便攜式設備的主要供電電源，電池容量的提升已經遠遠跟不上復雜度不斷提升的便攜式設備的功耗要求[3]，迫切需要研究如何使便攜式設備電源具有更小體積、高可靠性、高效率和更低成本[4]。傳統的線性電源在體積、效率等方面已無法滿足便攜式設備的要求。高效率、小體積的開關電源應運而生。為解決便攜式設備電源輸入電壓能力單一的問題，便攜式設備電源電路通普遍用Buck-Boost變換器[5]。

Buck-Boost變換器兼有升壓與降壓功能[6]，可根據輸入和外圍電路選擇合適的輸出。常用的Buck-Boost變換器外部采用電感作為儲能元件[6]，而電感的體積比較大，電路復雜。本文提出了一種采用Buck-Boost型電荷泵作為電路主拓撲，PWM恒定頻率控制技術，外接快速充電電容作為儲能元件的開關電源設計，解決了電感作為儲能元件時體積大、電路復雜等問題。

1 電荷泵基本原理

電荷泵最早是由John F.Dickson提出的[7]，目前使用的電荷泵幾乎都以Dickson電荷泵原理為基礎。Dickson電荷泵電路如圖1所示。當Ф為低電平時，輸入端第一個二極管導通，輸入電壓對與第一個節點相連的電容進行充電，直到節點1的電壓為Vin-VD；當Ф為高電平時，第一個二極管截止，第二個二極管導通，節點1的電壓為

此時對與節點2相連的電容進行充電，直到完成n級電容的充放電[7]，可得輸出電壓為：

式中N為電路階數，VФ為脈沖信號高電平時電壓幅值，CS為寄生電容，VD為二極管管壓降，Iout為負載電流，f為脈沖信號頻率。通常情況下電路需滿足 C＞CS＞0.1C[7]。

圖1 Dickson電荷泵電路

Dickson電路最初是為了提供可擦寫EPROM所需的電壓，后來J.Witters，Toru Tranzawa等人對J.Dickson的電荷泵模型進行了改進[8]，提出了比較精確的理論模型。隨著大規模集成電路、超大規模集成電路的高速發展，電荷泵已廣泛應用于集成電路中。

2 開關電源設計

2.1 電源電路結構

LTC3245電路采用基于DC-DC轉換器的電荷泵拓撲結構，該結構較傳統的DC-DC轉換器電路結構簡單，EMI較小[9]。電荷泵電路共有三種轉換率，2:1降壓模式，1:1降壓模式和1:2升壓模式，只需要在外部接一個快速充電電容，電路即可根據輸入電壓和輸出電壓自動選擇不同的轉換率。當滿足Vin＞2Vout時，電路選擇2:1降壓模式；當輸入電壓介于2Vout與Vout之間時，電路選擇1:1降壓模式；當輸入Vin＜Vout時，電路選擇1:2升壓模式。轉換率的調整是通過檢測輸出電壓和調節每個周期轉移的電荷量來實現的。這種調節方法比傳統的電荷泵調節電路具有更低的輸出紋波。

LTC3245內部包括電荷泵模塊、基準電壓源、PWM控制信號產生模塊、輸出電壓可調模塊等。

電荷泵模塊為開關電源核心部分，兼有升降壓功能。開關電路通過PWM控制信號控制電荷泵的充放電。電荷泵中模擬開關采用MOS管組成，PWM信號經過驅動電路控制MOS管的開關。采用MOS管可以減小電荷泵的輸入電阻，提高輸出效率[10]。

基準電壓源為比較器提供穩定的參考電壓，目前使用最廣泛的電壓基準是帶隙基準電壓源，它的溫度漂移系數小、電源抑制比高。帶隙基準電壓源主要利用具有正溫度系數和負溫度系數的電壓相疊加，產生一個具有較低溫度系數的穩定的輸出電壓[11]。LTC3245內部電路包括1.2V和1.14V兩個基準電壓源。

PWM信號由多路復用開關輸出的信號經過電壓比較器之后輸出。PWM信號主要作為控制電荷泵的脈沖信號。設計中采用比較器實現具有速度快、精度高、易于控制等優點。

輸出電壓可調電路主要由多路復用開關實現。電路根據A和B輸入的不同組合自動選擇輸出模式。

2.2 開關電源設計

電路根據輸入電平A和B不同組合，輸出三種模式：關閉輸出、固定輸出以及輸出可調。輸出可調電壓，必須通過外部電阻調節。如果需要輸出電壓可調，引腳ADJ必須與Vout和GND之間各連接一個電阻，并且A接高電平，B接低電平。輸出可調電路如圖2所示。

圖2 輸出電壓可調電路

輸出電壓在2.5V與5V之間可調，輸出端調節電阻需滿足：

式中Rb的阻值選擇在1K到1M之間，增大Rb會導致輸出電流變小。

2.3 開關電源轉換效率計算

電荷泵電路的轉換效率隨電路的工作模式的改變而改變[12]。當輸入電壓大于等于輸出電壓的2倍時，內部電路選擇2:1降壓模式。此時內部電路工作在兩個階段。第一階段，快速充電電容C連接在Vin和Vout之間，輸入電壓給C充電并輸出電流。第二階段，快速充電電容連接在Vout和GND之間，將第一階段儲存在C中的電壓輸出。此種模式下，輸出電流約為輸入電流的兩倍。另外兩種模式與此類似。理想轉換效率(η)和耗散功率(PD)分別為：

式中N為轉換系數。實際計算開關電源轉換效率時還必須減去三極管、電阻等功率元件的損耗。

3 開關電源測試

為驗證上述設計是否滿足便攜式設備電源要求，對設計電路進行了測試。主要測試的指標包括輸出電壓、輸出電壓紋波、最大輸出電流和電路轉換效率，并給出了試驗數據和波形。表1和圖3分別為輸入9V時的負載特性和輸出電壓紋波。

表1 輸入9V輸出3.3V和5V負載特性

圖3 輸入9V輸出3.3V和5V的紋波

由表1可知，在固定輸出降壓模式下，正常最大輸出電流在180mA左右，輸出3.3V和5V電壓穩定。由圖4可看出，穩定輸出3.3V時，輸出電壓紋波為44mV；穩定輸出5V時，輸出電壓紋波為52mV，輸出電壓紋波較小。根據公式(3)可得，理想狀態下輸出3.3V的轉換效率(η1)和輸出5V的轉換效率(η2)分別為：

圖4 輸入3V輸出3.3V和5V的紋波

表2和圖4為輸入3V時的負載特性和輸出電壓紋波。由表2可知，在固定輸出升壓模式下，正常最大輸出電流在110mA左右，輸出3.3V和5V電壓穩定。由圖6可看出，輸出3.3V和5V時，輸出電壓紋波均為48mV左右，輸出電壓紋波較小。根據公式(3)可得，理想狀態下輸出3.3V的轉換效率(η3)和輸出5V的轉換效率(η4)分別為：

由式(6)和式(7)可以看出，當輸入電壓大于輸出電壓時，輸出3.3V的轉換率遠遠高于輸出5V的轉換率；由式(8)和式(9)可以看出，當輸入電壓小于輸出電壓時，輸出5V的轉換率遠遠高于輸出3.3V的轉換率。實際測得輸入9V，輸出3.3V時，開關電源轉換效率為67%左右；輸入3V，輸出5V時，開關電源轉換效率為73%左右。由此可知，根據輸入輸出電壓的不同，選擇合適的轉換模式，可得到較高的轉換效率。由公式(5)可知，當輸出電壓不變，隨著輸入電壓提高，耗散功率增大，轉換效率降低。當輸出電壓確定之后，適當減小輸入電壓可提高轉換效率。

另外還測試了電路的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍。經測試，在電路正常工作狀態下，輸入電壓范圍為2.7V到24V，輸出電壓2.5V～5V可調，最大輸出電流為降壓模式下，約為230mA。綜上所述，該開關電源適合于便攜式設備。

4 結論

本文設計了一種應用于便攜式設備的開關電源，介紹了開關電容式電荷泵設計思路，減小了電路體積，簡化了電路設計，并通過實驗測試了電源的性能參數。實驗結果表明，設計的開關電源結構合理，性能穩定可靠，滿足便攜式設備電源需求。

［1］王海永，李永明，陳弘毅.便攜式電子系統的DC/DC開關電源系統結構設計和研究[J].固體電子學研究與進展，2002，22(2):131-136.

［2］劉良潮.便攜式電子設備適配器開關電源控制芯片設計[D].西安:西安電子科技大學，2010.

［3］馬新芳.便攜式設備電源管理研究[D].武漢:華中師范大學，2008.

［4］馬杰.基于PWM控制同相Buck-Boost DC-DC轉換器研究與設計[D].湖南:東南大學，2009.

［5］張友華.基于電流模 Buck-Boost轉換器的系統與電路設計[D].湖南:東南大學，2009.

［6］徐平凡，丘東元，張波.升降壓DC-DC變換器的比較[C]//第十七屆全國電源技術年會論文集.809-811.

［7］J.F.Dickson.On-chip high-voltage generation in MNOS integrated circuits using an improved voltage multiplier technique[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,1976,11(3):374-378.

［8］曹香凝，汪東旭，嚴利民.DC-DC電荷泵的研究與設計[J].通信電源技術，2004，5(21)：14-27.

［9］張杰.高性能開關電容DC-DC變換器的研究與設計[D].浙江:浙江大學，2010.

［10］耿元婧，王兆勇.一種高性能電荷泵電壓轉換器設計[J].微處理機，2013，3:5-9.

［11］馮新宇，蔣洪波.一種帶隙基準電壓源設計[J].電子設計工程，2012，20(11):151-153.

［12］Zhao Meng lian,Wu Xiao bo,Han Shiming,Deng Li,Yan Do ng qin,and Yan Xiaolang.Research and Design of an On-Chip High Efficiency Dual-Output Charge Pump[J].Journal of Semiconductors,2008,29(7):1305-1312.