《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種高壓自適應(yīng)頻率電荷泵
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第2期
李德安1，梅當(dāng)民2，范 濤2，袁國順1
1.中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029； 2.北京中科微電子技術(shù)有限公司，北京100029
摘要： 提出了一種新穎的高壓自適應(yīng)頻率電荷泵結(jié)構(gòu)，包含了變頻振蕩電路、電平變換電路和兩級(jí)升壓電路。與傳統(tǒng)電感式電荷泵及脈沖寬度調(diào)制方式電荷泵相比，本結(jié)構(gòu)有噪聲小和輕載轉(zhuǎn)換效率高兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。該電路使用了CSMC 0.35 μm BCD CMOS工藝，在單片步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片上的應(yīng)用結(jié)果表明，該電荷泵具有效率高、易集成、反應(yīng)快及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，最大輸出電流達(dá)3 mA。
中圖分類號(hào)： TN492
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)02-0033-03
A high voltage frequency-adapted charge pump
Li Dean1，Mei Dangmin2，F(xiàn)an Tao2，Yuan Guoshun1
1.Institute of Microelectronics，Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029，China；2.Beijing Casue Technology Co.，Ltd.，Beijing 100029，China
Abstract： This paper proposes a high voltage frequency-adapted charge pump, which includes variable oscillation circuit, voltage transform circuit and two-stage boost module. Compared with traditional inductive charge pump and PWM mode charge pump, it has two outstanding advantages of little noise and high efficiency at light loads. This circuit is based on the 0.5 μm BCD CMOS technology of CSMC. The results of applying in single-chip stepper motor driver show that this charge pump has many advantages， such as high efficiency, good stability, easy integration, fast response etc, and the maximum output current up to 3 mA.
Key words : charge pump；frequency-adapted；modulation；stability

    電荷泵在電能變換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與存儲(chǔ)電路中占有重要地位。H橋驅(qū)動(dòng)、EEPROM的讀寫及EL驅(qū)動(dòng)都需要使用電荷泵。傳統(tǒng)升壓電路利用電感電流的不突變特性升壓，通過PWM控制方式來穩(wěn)定輸出電壓。這種電路存在不可忽視的缺點(diǎn)：由于PWM控制方式在輕載時(shí)頻率固定，開關(guān)損耗并未隨負(fù)載減小而降低，因此，PWM式電荷泵在輕載時(shí)效率較低[1]。作為電感式電荷泵的一種替代，電容式電荷泵得到了很好的發(fā)展，電容式電荷泵電路以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、制造成本低、開關(guān)頻率高、效率中等偏上及電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。
    本文針對(duì)傳統(tǒng)的電容式電荷泵，提出了一種新穎的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，具有較小的電磁干擾，且在輕載時(shí)也有很高的效率。

    由式(1)可知，最終的輸出電壓與電荷泵的級(jí)數(shù)和輸入電壓大小與二極管的正向壓降有關(guān)。這種傳統(tǒng)的電荷泵雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于片內(nèi)集成等優(yōu)點(diǎn)，但是存在不可忽視的缺點(diǎn)，如輸出電壓固定不可調(diào)，輕載時(shí)自身功耗太大等，特別值得一提的是，由于內(nèi)置二極管多應(yīng)用于正向通導(dǎo)狀態(tài)，隨著級(jí)數(shù)的增多，當(dāng)前一級(jí)電容對(duì)下一級(jí)充電時(shí)，很大一部分電荷通過寄生BJT流入襯底，不但引入了襯底噪聲，而且降低了輸出帶負(fù)載的能力。此外，當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，這種電荷泵的結(jié)構(gòu)也不適合。
2 高壓自適應(yīng)頻率電荷泵
    為解決輸入電壓與輸出電壓之差在一定范圍內(nèi)可調(diào)及輕載效率較低的問題，本文提出了一種高壓自適應(yīng)頻率電荷泵。以兩級(jí)升壓電路為例，總體電路如圖2所示。該電路分為3個(gè)部分，即電平變換電路、變頻振蕩電路及兩級(jí)升壓電路。其中變頻振蕩電路工作在標(biāo)準(zhǔn)5 V電壓，電平變換電路與兩級(jí)升壓電路工作在高壓。在流片的設(shè)計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)電壓VDD=5 V，VIN=40 V，設(shè)計(jì)輸出電壓VOUT=45 V，VREF1=VDD=5 V，VREF2=1.25 V。
    該電路的整體工作原理如下：首先，電平變換電路在輸入電壓、輸出電壓及VREF1的作用下，生成一個(gè)隨輸出/輸入電壓之差線性變化的低壓參考電壓VE1并送入變頻振蕩電路。變頻振蕩電路在參考電壓VE1的作用下，產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的振蕩信號(hào)，通過“與非門”NOR1_1與NOR2_2生成兩路互為反相的時(shí)鐘。兩級(jí)升壓電路在時(shí)鐘的控制下，將電容C1上的電荷有序地傳遞至電容C2上，以達(dá)到升壓的目的。下面詳細(xì)分析各部分電路工作原理。
   
    由式(4)可知，AMP1的輸出電壓跟VIN與VOUT的差值成線性關(guān)系。
2.2 兩級(jí)升壓電路
    兩級(jí)升壓電路包括：由R1、R2和M1組成的電平移位電路，由M2和M3組成的反相器，驅(qū)動(dòng)管M4及外置電容C1和C2。忽略二極管正向壓降及MOSEFT的開關(guān)壓降，設(shè)開關(guān)動(dòng)作前輸出電壓為VOUT0，當(dāng)M2的柵極邏輯為1時(shí)，電容C1通過D1、R3與M2充電；當(dāng)M2的柵極邏輯為0時(shí)，M2截止，M4開通，電容C1的下極板電位上升至VIN，此時(shí)電容C1的電荷轉(zhuǎn)移至C2，由電荷守恒定律得C2上變化的電壓為：
  
    從式（5）可看出，每次開關(guān)動(dòng)作后，輸出電壓變化量與上周期的輸出電壓VOUT0相關(guān)，在兩級(jí)升壓結(jié)構(gòu)中，極限輸出電壓為輸入電壓的2倍。圖2中的R3為限流電阻；D1和D2為肖特基二極管，以減小寄生BJT效應(yīng)。

 

 


2.3 變頻震蕩電路
    在變頻振蕩電路中，由COMP1及COMP2組成窗口比較器，其比較結(jié)果通過施密特觸發(fā)器SMIT1、SMIT2，“與非門”NAND2、NAND3及“非門”INV1的整形，再經(jīng)過D觸發(fā)器的處理，在“或非門”NOR2_1及NOR2_2的輸出端得到了兩個(gè)不同時(shí)為1時(shí)鐘信號(hào)，RESET為使能端口且1有效。該子電路的振蕩頻率由電平變換電路的輸出VE1決定，詳細(xì)分析如下：
    假設(shè)某一個(gè)時(shí)刻INV1輸出端為1，D觸發(fā)器的Q端輸出為1，“或非門”NOR2_1和NOR2_2輸出為0，“與非門”NAND3的輸出也為1，此時(shí)，由R10、C3組成的RC電路充電。充電時(shí)，比較器的輸入電壓介于VREF1與VREF2之間，兩個(gè)比較器輸出1，RS觸發(fā)器處于鎖存狀態(tài)；隨著時(shí)間的推移，當(dāng)C3的電壓高于VE1時(shí)，比較器COMP1輸出0，RS觸發(fā)器復(fù)位，INV1和NAND3輸出0，NOR2_1和NOR2_2輸出分別為0和1；隨后，RC回路放電，當(dāng)C3電壓低于VREF1時(shí)，比較器COMP2輸出0，RS觸發(fā)器置位，INV1和NAND3輸出1，此時(shí)D觸發(fā)器輸出0，NOR2_1和NOR2_2輸出為0；此后RS回路繼續(xù)充電，當(dāng)C3超過VE1時(shí)，RS觸發(fā)器復(fù)位，NOR2_1和NOR2_2輸出分別為1和0；RS觸發(fā)器再次放電，當(dāng)?shù)陀赩REF1時(shí)，RS觸發(fā)器再次置位，NOR2_1和NOR2_2輸出為0。如此不斷重復(fù)。

 
    可見，電路的紋波與電容C1、C2的比值有關(guān)。
3 仿真及測(cè)試結(jié)果
    對(duì)電路進(jìn)行仿真，得到圖3所示的圖形。圖3中上半圖形對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻為45 kΩ，而下半圖形對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻為500 kΩ，且一個(gè)鋸齒波對(duì)應(yīng)振蕩電路的2個(gè)RC振蕩周期。由圖可知，RC振蕩電路的振蕩頻率與負(fù)載有關(guān)，輕載時(shí)振蕩頻率較低，重載時(shí)振蕩頻率較高，以維持輸出電壓。與固定頻率的電荷泵相比，本電荷泵最大的優(yōu)點(diǎn)是輕載時(shí)功耗低、EMI小及輸出-輸入電壓差值可調(diào)。與電感式電荷泵相比，沒有大電感，便于集成，且噪聲低。該電荷泵使用了華潤(rùn)上華半導(dǎo)體有限公司的ST3800 BCD工藝，面積為0.6 mm×1 mm，由于內(nèi)部集成了功率肖特基二極管及高壓MOSEFT，因此面積稍大。

    圖4為流片的測(cè)試結(jié)果，電路設(shè)計(jì)了輸出-輸入電壓差為5 V。在測(cè)試中，負(fù)載電阻為45 k?贅，外置電容C1、C2分別為10 nF和220 nF。在Vin為45 V處，測(cè)得輸出電壓約為45.8 V，與第1節(jié)計(jì)算的結(jié)果基本相符。由圖4可知，在15~30 V輸入電壓段，輸出-輸入電壓差約為5.2 V；而在30~50 V輸入電壓范圍內(nèi)，輸出-輸入電壓差略大于5.2 V，這主要是由電平變換電路中晶體管與電阻的不匹配及功率器件的局部溫升引起的。

    本文的電荷泵具有性能穩(wěn)定、輕載時(shí)本身功耗低、輸出-輸入電壓差靈活可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。由于是兩級(jí)結(jié)構(gòu)，其極限輸出電壓為輸入電壓的2倍，要提高輸出-輸入電壓差，只需要增加級(jí)數(shù)。因此，可以方便地集成到各種功率芯片(如步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LLC諧振驅(qū)動(dòng)器及相移式全橋開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器)中，也可以獨(dú)立應(yīng)用于低噪聲升壓中。
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