一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路

1.本发明涉及一种开关电容稳压芯片电路，属于电源管理芯片领域。


背景技术：

2.当今时代，我们处在一个信息化的世界，尤其进入21世纪，便携式设备如手机等产品高速发展，成为了人们生产生活中不可缺少的部分，而手机等便携式设备通常都是通过电池进行供电，但电池直接提供的电压一般称为粗电压，随着电子产品性能的不断提高，粗电压不再适合直接为手机各个模块进行供电，这时就需要通过电源整流之后才可以进行使用，这个过程被称为电源管理。
3.电源管理芯片是模拟类芯片产品中很重要的一类，主要的电源管理分为以下形式，有直流转直流(dc-dc)，交流转直流(ac-dc)，以及直流转交流(dc-ac)，而便携式设备的电源一般为直流转直流，然后为其他模块供电，通常，芯片内部的不同的模块对供电都有各自的性能需求，因此，也产生出不同的电源管理方案对各种模块对应进行优化。
4.目前的直流-直流转换器主要分为线性稳压器和非线性稳压器两大类，线性稳压器也叫ldo，线性稳压器可以在变化的输入电压下，提供一个稳定的输出电压，并具有低噪声，带负载能力强等特点，非常适合使用在手机，射频通信等对噪声敏感的场景应用中，但线性稳压器的缺点有以下几点，第一点是线性稳压器的结构决定了，它只能实现压降的功能，无法在同一种电路结构下同时实现升压或反向等功能，第二点就是，当输入电压和输出电压的差距较大时，系统的效率会很低，这对于现在很多长时间待机等场景应用下这种低效率的缺点将会被放大。
5.第二种电源管理芯片为非线性稳压器，也就是开关电源转换器，开关电源转换器的设计也对应的弥补了ldo一些方面的不足，目前，开关电源转换器的特点为轻量化，高效率以及可升降压一体，从而被广泛应用于以计算机为主的终端通信设备里，成为了信息化时代发展浪潮中不可缺少的电源管理模式，具体原理为，通过mos开关管的导通和关断，系统利用电感或电容作为储能软件，在时钟开关周期的两个象限里，通过吸收以及释放能量，来对输出端充电以及放电维持一个稳定的输出电压。其中根据储能元件不同，分为电感型压降转换器和电容型压降转换器，电感性压降转换器具有高效率，低纹波等特点，效率可以很容易的超过90％，但该类芯片的缺点是对噪声敏感，且面积较大，不够廉价，不利于小型集成化，所以电感型转换器通常被用在对噪声不够敏感，大负载的场景下。
6.所以需要一种开关电容型直流转换器，它的工作原理是利用电容作为储能元件，通过时钟控制开关mos管的导通与关断，使得传输电容从电源吸收能量后，再释放给负载，从而传递能量，通过负反馈环路，输出一个稳定的电压，与电感型相比，电容型可以节省一定的面积，也更容易实现片内集成化，在低负载的应用场景下，电容型转换器同样可以在输入电压范围较宽的前提下提供一个较高的效率，同时由于没有电感的存在，emi噪声也大幅度降低。所以，电容型直流转换器的优缺点相对折中，是ldo与电感型转换器需求场景中间的一个方案的选择。


技术实现要素：

7.本发明为解决传统线性稳压器效率低较低问题，进而提出一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路。
8.本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括增益跳变模块、时钟发生模块、开关电容阵列模块、反馈控制模块和电流检测模块；增益跳变模块的输出端与时钟发生模块的输入端连接，时钟发生模块的输出端与开关电容阵列模块的输入端连接，电流检测模块的输出端与反馈控制模块的输入端连接，反馈控制模块控制时钟发生模块。
9.进一步的，所述增益跳变模块的电路由三个分压电阻和两个比较器组成；所述比较器的负端与基准信号连接，所述比较器的输出端与时钟发生模块的输入端连接。
10.进一步的，所述比较器为迟滞比较器。
11.进一步的，所述时钟发生模块由两个比较器、触发器和电容组成；所述比较器的输出端分别与触发器的r端和s端相连。
12.进一步的，所述电容开关阵列模块由九个晶体管和两个飞跃电容组成；所述晶体管的栅极信号与时钟发生模块的输出端连接。
13.进一步的，所述晶体管是mos晶体管。
14.进一步的，所述反馈控制模块的电路由比较器、触发器和与门组成；所述比较器的输出端与触发器的输入端连接，所述触发器的输出端与与门的输入端连接，与门的另一端与时钟信号clk相连，所述与门的输出端控制时钟发生模块的输出信号。
15.进一步的，所述触发器是dff触发器。
16.进一步的，所述电流检测模块由六个晶体管和一个运放组成；所述电流检测模块中电容电阻具有滤波功能。
17.进一步的，所述晶体管为mos晶体管。
18.本发明的有益效果是：
19.1、本发明开关电容转换器，相对于电感作为储能元件，更能够实现结构的微型化、电源管理芯片的全集成。选择电荷泵作为降压转换器的主体，使用时钟发生电路进行开关功率管的控制进行稳压，提高了稳压精度以及转换效率，降低损耗；
20.2、本发明开关电容稳压器针对现有系统单一控制模式的不足，无法同时满足低纹波和高效率等问题，通过对不同情况下系统调制模式的分析，设计了根据负载变化，切换系统调制模式的方式，并进行系统稳定性的调整，以及提出频率补偿的的方案；
21.3、本发明开关电容稳压芯片采用了一种多增益模式开关电容阵列的结构实现了三种增益比的切换，这种方式相对于线性稳压器可以拓展了输入电压的范围，解决了在大输入电压下增益比不匹配的问题，进一步提高了系统效率。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图；
23.图2是增益跳变模块的结构示意图；
24.图3是时钟发生模块的结构示意图；
25.图4是开关电容阵列模块的结构示意图；
26.图5是反馈控制模块的结构示意图；
27.图6是电流检测模块的结构示意图。
具体实施方式
28.具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路包括增益跳变模块101、时钟发生模块102、开关电容阵列模块103、反馈控制模块104和电流检测模块105；增益跳变模块101的输出端与时钟发生模块102的输入端连接，时钟发生模块102的输出端与开关电容阵列模块103的输入端连接，电流检测模块105的输出端与反馈控制模块104的输入端连接，反馈控制模块104控制时钟发生模块102。
29.具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路的所述增益跳变模块101的电路由三个分压电阻和两个比较器组成；所述比较器的负端与基准信号连接，所述比较器的输出端与时钟发生模块102的输入端连接。
30.本实施方式中，比较器负端与基准信号相连，用于划分输入电压，迟滞比较器的输出与时钟发生模块的输入端相连，用于控制时钟电平的选择。
31.当输入电压在区间跳跃点附近左右摆动时，增益模式的选择不会在两种模式下连续切换，从而使得系统更加稳定，需要注意的是，为了模块的正常工作，迟滞比较器的迟滞窗口不应设置过大，迟滞比较器的输出为一个两比特控制信号，这个控制信号将控制下文的数字编码电路从而产生我们需要的一组可以控制开关mos管的时钟信号。
32.具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路的所述比较器为迟滞比较器。
33.具体实施方式四：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路的所述时钟发生模块102由两个比较器、触发器和电容组成；所述比较器的输出端分别与触发器的r端和s端相连。
34.本实施方式中的偏置电流由一个运放和电阻提供。
35.本实施方式利用两个比较器，当vr的电压低于v
l
时，下面的比较器会输出一个低电平，从而使得后面的触发器被复位，电流会流过电容cs充电，当vr的电位被逐渐拉高，高于v
l
的电位时，上面的比较器会输出一个低电平，将触发器复位，电容c0迅速放电，使得vr上的电位再次降低，如此往复循环产生一个周期变化，从而会使得vr处产生一个周期性变化的斜坡信号，这个信号经过处理就可以为后续提供时钟，它的频率就是系统的基准频率，公式为：
[0036][0037]
通过改变电容电阻的取值，以及比较器所接入的基准电压的值最终获得所要的时钟频率；上述公式中f表示时钟频率，m表示两支路电流比例关系，vh表示比较器正端所接电压，rs表示电阻大小，v
ref
表示运放正端所接的基准电压。
[0038]
具体实施方式五：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路的所述电容开关阵列模块103由九个晶体管和两个飞跃电容组成；所述晶体管的栅极信号与时钟发生模块102的输出端连接。
[0039]
本实施方式中所述电容开关阵列模块103的输出端与vout连接。
[0040]
所述开关电容阵列模块103的电路结构如图4所示，由两个电容和九个开关mos管组成，每个开关管的栅端连接着从时钟编码电路产生的一组控制信号，这个开关电容阵列模块可以根据开关管的导通和断开的组合从而形成三种增益模式的切换，也就是1x，1/2x，和2/3x增益模式，从而提高系统效率。
[0041]
具体实施方式六：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路的所述晶体管是mos晶体管。
[0042]
具体实施方式七：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路的所述反馈控制模块104的电路由比较器、触发器和与门组成；所述比较器的输出端与触发器的输入端连接，所述触发器的输出端与与门的输入端连接，与门的另一端与时钟信号clk相连，所述与门的输出端控制时钟发生模块102的输出信号。
[0043]
本实施方式中所述反馈控制模块104的pfm脉冲频率调制模式电路如图5所示；可以通过输出电压的变化来反馈调节时钟频率的变化，原理是输出电压和基准电压比较产生一个比较器输出电压控制信号vcmpout，这个信号与时钟信号共同作用产生频率可变的时钟信号clk_pfm，即当输出电压低于基准电压时，比较器产生一个高电平，电路继续由clk也就是基频时钟升高输出电压，直至输出电压高于基准电压时，比较器则会产生一个低电平，从而在与门输出端产生一个低电平并保持，使得开关电容阵列模块放电，直到输出电压再次小于基准电压，重复以上循环，便可以使得clk_pfm信号为一个根据输出电压进行变化的时钟信号。
[0044]
具体实施方式八：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路的所述触发器是dff触发器。
[0045]
具体实施方式九：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路的所述电流检测模块105由六个晶体管和一个运放组成；所述电流检测模块105中电容电阻具有滤波功能。
[0046]
具体实施方式十：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式所述一种双控制模式的开关电容稳压芯片电路的所述晶体管为mos晶体管。
[0047]
工作原理
[0048]
所述开关电容稳压器芯片100结合了两种经典的调制方式，使得可以根据电流负载的变化可以进行切换，从而在低负载的时候使用pfm频率调制模式，高负载的时候使用输入限流控制环路。增益跳变模块101根据输入电压，产生了一个控制信号，从而控制时钟发生电路模块102所产生的时钟，进而控制开关功率管的导通和闭合，从而使得开关电容阵列模块103工作在期望的模式下，选取合适的电荷泵结构，从而提高系统的整体效率，反馈控制模块104提供两种控制方式，工作在pfm环路控制下时，限制充电电流的大小，避免在输出电压上产生一个较大的纹波，工作在输入限流环路时，充电电流的大小由负反馈环路误差放大器产生的控制信号栅压控制。后一级时根据电流检测模块105判断出的负载电流大小，判断轻载时采用pfm调制模式，高负载时采用输入限流调制模式，从而使系统可以工作在最佳状态，继而满足了高效率稳压的效果。
[0049]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰
为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。