[发明专利]一种开关电容式直流-直流变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关电容式直流-直流变换器。

背景技术

现在各式各样便携式电子设备正走向千家万户和各个工业应用领域。不论这些设备中用到怎样的电子器件和芯片，电源管理模块都必不可少，而且这些设备对其电源管理模块的要求也越来越高。通常，这些便携式设备，如手机、MP3/4和数码相机等，要求电源管理模块的体积小、电能转换效率高、输出纹波小、成本低，而且应用电路也要尽量简单。同时，便携式电子设备工作时所消耗的电流也非常不固定，其取决于设备的运行环境和状态(如MP4播放视频时功耗大，处于待机模式时功耗小)，因此一个好的电源管理模块需要能够适应变化范围比较大的负载电流。

电荷泵(即开关电容式直流-直流变换器)的输出电压大小与很多因素有关，为了使设备能够稳定的工作，通常要求电源管理模块对输出电压进行调制。目前常见的电荷泵调制技术有后调制技术、预调制技术、脉冲宽度调制技术以及脉冲跳跃频率调制技术。后调制技术又称为线性调制，是在电荷泵后面再串联一个LD0，通过LD0对输出电压进行调制。该技术可以有效控制输出电压纹波，降低输出噪声，但效率很低且需要额外的稳压模块；预调制技术通过调整开关的导通电阻R_on，实现对输出电压的调制，又被称为伪线性调制技术，其可以有效控制输出电压纹波，减小输出噪声，但由于环路的频率响应与R_on相关，因此当负载变化时，对环路的分析与补偿是个难题，设计比较复杂，且效率较低，尤其在轻载时，R_on较大，而开关频率不变；脉冲宽度调制技术，即PWM(Pulse Width Modulation)是通过控制每个周期给电容充电的时间比来实现对输出电压的调制，类似于电感型开关电源。但由于电容上充放电的电流在开关导通瞬间可以很大，且当电荷泵中RC时间常数较小时，电容将在很短的时间完成充放电。因此PWM技术对电容型开关电源的调制作用受到一定的限制，且由于开关频率的固定，其效率与线性调制技术相似。

采用脉冲跳跃频率调制技术的电荷泵结构示意图如图1所示，在电荷泵的电压输出端16连接有两个分压电阻组成的采样支路。一比较器17接收采样电压信号与基准电压信号15，向连接其输出端的逻辑电路18发送反馈信号。该逻辑电路18接收一时钟信号，并根据反馈信号向死区控制模块3发送控制信号。死区控制模块3接收控制信号，并产生多组不交迭的时钟信号，并将多组不交迭的时钟信号发送给开关电容阵列模块4。

比较器将17采样电压信号与基准电压信号15相比较，当采样电压信号大于基准电压时15，比较器放大器17给出一个截止的反馈信号，逻辑电路18根据该截止信号停止输出控制信号；当比较器17检测出采样电压信号低于基准电压15时，逻辑电路18继续发送控制信号。

采用脉冲跳跃频率调制技术是在需要向负载传递电荷时才启动电荷泵，其余时刻关闭电荷泵，仅由负载电容向负载供电。此方法提高了效率，但由于其工作频率不是连续的，有较大的输出纹波。

发明内容

本发明提供一种具有高效率且能自动调节工作频率的开关电容式直流-直流变换器，克服了因工作频率不连续导致产生较大输出纹波的技术问题。

本发明的变换器，包括一输出采样支路，一产生死区且输出多组与输入时钟相同频率时钟信号的死区控制模块，一接收死区控制模块发送的多组不交迭的时钟信号的开关电容阵列模块，一接收输出采样支路电压信号与基准电压信号的误差放大器以及一接收误差放大器的输出电压信号并输出相应频率时钟信号的压控振荡器，压控振荡器向死区控制模块发送时钟信号，所述时钟信号的频率变化与误差放大器的输出电压的变化成正比关系。

所述的压控振荡器包括一功率放大器，一比较器，一锁存器，第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管；所述的误差放大器的输出端连接功率放大器的正相端，功率放大器的输出端连接第一场效应管，第一场效应管的漏极连接一电阻，电阻的另一端接地，同时第一场效应管的漏极连接到功率放大管的负相端形成一负反馈，使第一场效应管中的电流与误差放大器的输出电压成正比；第二场效应管的源极与栅极分别连接到第一场效应管的源极与栅极，使得其中的电流始终与第一场效应管中的电流成一定比例，第二场效应管的漏极连接一电容的正端，电容的负端接地；比较器的正相端连接电容的正端，比较器的负相端连接基准电压，比较器的输出端连接第三场效应管的栅极和锁存器；第三场效应管的源漏极跨接在电容的两端，比较器的输出信号控制其导通或关断；锁存器根据比较器的的输出信号产生50％占空比的方波时钟信号。