基于電荷泵DC-DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

陳逸飛， 李校良， 李梓萍， 閆泓全， 金書(shū)池

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院， 遼寧 葫蘆島 125000）

1 研究背景與意義

開(kāi)關(guān)電源具有效率高、靜態(tài)電流小、芯片面積小、重量輕和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，DC-DC 轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于各種小功率電子系統(tǒng)中[1]。一些國(guó)家的開(kāi)關(guān)電源芯片已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)很高的水平，但是，國(guó)內(nèi)的開(kāi)關(guān)電源行業(yè)仍處于起步階段。因此，本文設(shè)計(jì)一款效率較高、性能較好的電荷泵DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以期提高國(guó)產(chǎn)開(kāi)關(guān)電源的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2 電荷泵及電荷泵電路設(shè)計(jì)

2.1 電荷泵的定義

電荷泵是一種DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它結(jié)合了電容器和二極管來(lái)提升輸出電壓，并利用電容作為儲(chǔ)能組件，其特點(diǎn)是在開(kāi)關(guān)頻率作用下，利用一只電容器快速地傳遞能量，使輸出電壓的極性與輸入電壓的極性相反，且輸出負(fù)電壓既可以高于輸入電壓，也可以低于或者等于輸入電壓[2]。

2.2 電荷泵電路設(shè)計(jì)

電荷泵電路是一種能夠?qū)⒌碗妷恨D(zhuǎn)換為高電壓的電路，其工作原理是利用電容器的充放電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的改變。電荷泵IC 可以被用作逆變器、分路器或者增壓器。逆變器可以將輸入電壓轉(zhuǎn)變成一個(gè)負(fù)輸出。

本文設(shè)計(jì)輸出電壓Vout2部分電荷泵電路，采用負(fù)壓電荷泵電路，用于將由Boost 部分提供的5.5 V 通過(guò)Vin轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓，當(dāng)方波為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)電容C右側(cè)后經(jīng)過(guò)二極管直接接地，Vin為電容充電，其左右兩側(cè)形成電壓差，電流通過(guò)二極管接地，當(dāng)Vin方波信號(hào)為低電平，此時(shí)由于電容電壓不能突變，電壓差仍然存在，因此，電容C 右側(cè)變?yōu)樨?fù)壓，實(shí)現(xiàn)了Vout的輸出為負(fù)。

電荷泵電容計(jì)算：升壓電容的儲(chǔ)能要大于輸出電容的儲(chǔ)能，取升壓電容能量等于10 倍輸出電容的能量。

電荷泵電路紋波計(jì)算公式：

考慮ESR 實(shí)際，取0.1 μF。為了降低紋波，同時(shí)，電容在充放電過(guò)程中電容的ESR 會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗，故選擇ESR 低的電容。為了提高工作溫度范圍，選擇X7R、X5R 電容。由于容量越大，提供電流能力也就越強(qiáng)。因此，在設(shè)計(jì)中選擇MLCC（陶瓷電容），電荷泵電路設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 負(fù)壓電荷泵電路

3 升壓電路設(shè)計(jì)

3.1 Boost 升壓電路

Boost 電路使用電源管理芯片F(xiàn)P5202，連接方式為：輸入電壓Vin經(jīng)過(guò)輸入電容EC2 輸入到引腳Vcc，EN 引腳直接接高電平，輸出電壓Vout通過(guò)采樣電路輸入反饋引腳FB 接入引腳，將反饋電壓輸入誤差信號(hào)放大器負(fù)端，與0.6 V 參考電壓進(jìn)行比較放大后，誤差信號(hào)放大器輸出模擬信號(hào)誤差電壓UER，外接電阻與電容的補(bǔ)償濾波網(wǎng)絡(luò)使控制信號(hào)順滑，然后輸入到PWM比較器的負(fù)端，與PWM比較器正端的鋸齒波發(fā)生器發(fā)生的鋸齒波電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生脈沖寬度不同的PWM輸出信號(hào)。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，反饋電壓隨之升高，誤差放大器的輸出誤差電壓隨之降低，進(jìn)而使PWM 輸出的脈沖寬度隨之減小，輸出電壓隨之降低，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能，如圖2 所示。

圖2 Boost 升壓

3.2 穩(wěn)壓電路

基于TL431 的穩(wěn)壓電路作用為穩(wěn)定輸出電壓Vout3 為+5 V，使用穩(wěn)壓管TL431 進(jìn)行穩(wěn)壓，其穩(wěn)壓公式為：

式中：VOUT=5 V；R1/R2=1；R5=10 kΩ；R9=10 kΩ。

穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)如圖3 所示，其中，R4為T(mén)L431 提供工作電流同時(shí)也為晶體管Q2 提供基極電流，C10起到補(bǔ)償作用，三極管Q4 與MOS 管Q3 為延時(shí)電路，三極管Q4 導(dǎo)通時(shí)PMOS 管柵極接地導(dǎo)通，Vout3輸出穩(wěn)定+5 V 輸出電壓。

圖3 +5 V 穩(wěn)壓電路

4 電路仿真與分析

4.1 基于PSIM仿真模型

使用PSIM仿真軟件搭建整體仿真模型，如圖4所示。

圖4 基于PSIM 的原理圖仿真

4.2 仿真結(jié)果分析

輸出電壓電流仿真：將PSIM 仿真步長(zhǎng)設(shè)置為100 ns，仿真時(shí)間總長(zhǎng)設(shè)置為0.1 s。輸入直流電壓為3 V，輸出負(fù)載額定Vout1為5.5 V/1 A，Vout2為-5 V/0.1A，Vout3為5 V/0.1A，運(yùn)行仿真直至結(jié)束。仿真結(jié)果Vout1輸出電壓5.5 V 和電流波形，電流為0.9 A，符合設(shè)計(jì)要求。

輸出紋波測(cè)試：Vout1輸出電壓紋波，小于輸出電壓Vout1的2%，符合設(shè)計(jì)要求，如圖5 所示。

圖5 Vout1 輸出電壓紋波

Vout2輸出電壓紋波，小于輸出電壓Vout2的2%，如圖6 所示。

圖6 Vout2 輸出電壓紋波

Vout3輸出電壓紋波小于輸出電壓Vout3的2%，如圖7 所示。

圖7 Vout3 輸出電壓紋波

Boost 電路測(cè)試：開(kāi)關(guān)管Q5 的Vgs、Vds波形，如圖8 所示，Vgs為MOS 驅(qū)動(dòng)電壓，Vds為開(kāi)關(guān)管漏級(jí)和源極之間電壓。當(dāng)MOS 管柵為極高電平時(shí)，MOS 管飽和導(dǎo)通，當(dāng)MOS 管柵為極低電平時(shí)，MOS 截止。MOS管Vds電壓為5.5 V。

圖8 開(kāi)關(guān)管Q5 的Vgs 和Vds 波形

升壓電感電流波形如圖9 所示。從波形看，升壓電感L1 電流始終在0 A 上方，電感工作在CCM連續(xù)工作模式，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通的時(shí)候，根據(jù)電感的特性，電感上的電流不能突變，電感電流線性上升，開(kāi)關(guān)管關(guān)掉的時(shí)候。同樣，電感電流也是不能突變，電感上電流線性下降。

圖9 升壓電感L1 的電流波形

5 結(jié)論

DC-DC 轉(zhuǎn)換器利用電容、電感的儲(chǔ)能的性能，通過(guò)可控開(kāi)關(guān)等的動(dòng)作來(lái)將輸入的電能儲(chǔ)存在電容、電感里，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電能再釋放給負(fù)載，提供能量。

本論文設(shè)計(jì)了基于電荷泵倍壓與負(fù)壓的DC-DC開(kāi)關(guān)電源，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方式簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的DC-DC開(kāi)關(guān)電源可以輸出±5 V 電壓應(yīng)用于運(yùn)算放大器的供電，具有輸出電壓電流特性良好、效率較高和紋波較低等優(yōu)點(diǎn)。仿真包含各個(gè)關(guān)鍵器件和節(jié)點(diǎn)的電壓電流波形，設(shè)計(jì)并分析了升壓電路模塊、電荷泵倍壓、濾波及穩(wěn)壓模塊，分析了電路設(shè)計(jì)的基本原理。基于PSIM仿真軟件搭建了本DC-DC 變換器模型，觀測(cè)并驗(yàn)證了電路中重要器件和線路上的關(guān)鍵點(diǎn)電壓電流波形，運(yùn)行結(jié)果符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。