一种PFM电荷泵充放电系统的驱动电路设计

1.引言

随着信息技术的发展，电源管理已经广泛应用于各类电子产品，因此电源管理芯片尤其重要。而电源管理芯片的驱动电路随着应用产品的不同而不同的变化，如采用额外的专用驱动芯片来驱动产品，不仅占用更多的系统资源，而且成本过高，这在应用到许多消费类电子产品中是难以接受的。本文讨论的是一款普通消费类电子芯片的驱动电路，从降低成本考虑，芯片采用BiCmos 0.6 um制造工艺，从降低功耗考虑，芯片采用5V电源供电，内置电源络压电路，将驱动电路集成在电源芯片中。

2.充放电系统调制方式

充放电系统对开关基本的控制方法有两种，分别是脉冲宽度调制(PWM)；脉冲频率调制(PFM)。PWM是开关频率恒定，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现充电时间的控制；PFM是脉冲宽度恒定，通过调节开关频率来改变开关通断比，从而实现充电放电时间的控制。

PWM调制是DC-DC转换器中很常用的调制方式，通过负载反馈信号与内部产生的锯齿波信号进行比较，然后得到频率恒定而脉冲宽度不同的方波信号，用这些信号控制开关管从而稳定输出电压，其波形如图1所示。

从图可以看出，反馈信号与锯齿波相交，反馈信号大于锯齿波时，PWM控制信号输出高电平；当反馈信号小于锯齿波时，PWM信号输出低电平，PWM控制方式在轻负载时效率不高。

PFM在需要向负载传递电荷的时候才启动电荷泵工作，当输出电压高于5V的时候，电荷泵转换器停止工作，而当输出电压低于5V的时候电荷泵启动，直到输出电压升到目标电压。

由图2可得，反馈信号低于比较信号时，PFM等脉宽工作，而反馈信号高于目标调制电压时，PFM信号频率为0，电荷泵停止工作，等到放电使得输出电压降低后，电荷泵继续启动，周而复始，系统提供稳定的输出电压。

相对于PWM调制而言，PFM在峰值相当的情况下，PFM的效率远远高于PWM，当轻载时，电荷泵处于低工作电流的空闲状态。电荷泵只是被偶尔启动，动态损耗大大减小，总的工作电流被降到最低。本文采用PFM调制控制方式，当输出电压高于目标电压时，电荷泵停止；当输出电压低于目标电压时，电荷泵启动。偶尔启动电荷泵进行充放电，提高系统的转换效率。

3.电荷泵充放电系统

电荷泵开关连接电路如图3所示，驱动电路输出的C1、C3、C4信号分别控制各个大功率开关，由于在驱动模块经反相器处理过延时，确保C1、C3、C4信号任何时刻不存在两个相位状态管同时导通的情况，因此对驱动电路提出了更高的要求。电路中加入了外部元件快速充电器C_FLY，C_FLY分别接芯片的C+与C-引脚。

驱动信号同一时刻不能使得前后两个相位状态下功率开关管同时打开。图3中C3和C1是相位相同并且不交替的信号，为了防止M1、M2和M3同时导通损耗能量，要发生开关动作首先要关闭M3管，只有在M3管完全关闭的情况下，才能开启M1和M2；反过来，当M3处在关闭的情况下要开启M3管，首先应该关闭M1和M2管。

另外芯片工作过程中，VOUT端口的电平为稳定5V，为了消除衬底偏值对M5和M6的影响，在VOUT和PAD_C+之间接入了M7和M8这两个管子，用来比较VOUT和PAD_C+之间的高电平，抬高衬底电压。

电路中驱动功率开关管的栅极电压需要尽量大的摆动幅度，而只将输入电压作为驱动电路的电源电压时，在低输入电压时驱动电路无法输出高达5V的驱动信号。因此本文设计驱动电路时须具有比较功能的电平转换电路，在输入电压与输出电压之间做简单的比较，把两者之间高的电压作为驱动电路的电源电压，保证在输出电压建立过程中驱动电路能够提供正确的栅极驱动信号。

图1 PWM工作原理图

图2 PFM工作原理

图3 大功率MOS开关管电路

4.电平转换器

系统需要设计电平选择功能，VOUT>VIN时，电平转换器的供电电平为VOUT；VOUT

芯片稳定工作后，电荷泵将输出电压稳定在5V左右，此时VD>VDD(VIN)，电平转换的原理图如下图4所示。

图4中电平转换器的输入信号V_low送进电平转换器，M5、M6、M7、M8组成一个正反馈比较器，其他供电电压为升压通路的输出电压VD，图4中电路在工作时，VD比VIN大，V_low的控制信号和其反相信号分别送入M8、M6的栅极。若V_low为高电平，则M6导通，M8截止，通过反馈通路，V_high输出高电平，其大小与VD等值。若V_low为低电平，则M6截止，M8导通，V_high输出低电平。由此实现了栅极控制信号的电平转换。

图4 电平转换电路

5.驱动电路

驱动电路的具体电路如图5所示。输出输入信号线功能描述如下：

VOUT(模块输入信号)：芯片输出电压。

C1、C3、C4(模块输出信号)：700KHz方波信号。

C2(模块输入信号)：700KHz方波信号。

VDD(模块输入信号)：电源电压即输入电压。

VD：当VDD(VIN)>VOUT，VD=VIN；反之，VD=VOUT。

图5 功率级驱动电路

驱动模块的信号直接输送到电荷泵开关管，负责系统的充放电，因此需要信号的延迟小并且能准确实时的进行开与关。但是芯片刚开始工作时，输出电压接近0，仅有输入电压作为驱动模块的电源电压，反相器中的PMOS管很容易进入线性区，此时驱动电路无法正常工作。

芯片的输出电压VOUT端口的最高电平为5V，而输入电源电压是2.7V-5.5V，因而RC振荡器输出高电平也为2.7V-5.5V，对应在驱动电路中输出的三个控制信号的高电平也为2.7V-5.5V。为了解决这个问题，如图5所示，在驱动的电路模块中将一对反向连接的二极管接在VOUT和VIN之间，这样就可以保证驱动电路的衬底电压稳定，进而使得芯片得到稳定的输出，之后就直接用输出电压作为衬底电压。驱动电路C1、C3、C4端输出信号仿真如图6所示。

图6 驱动电路C1、C3、C4端输出波形

6.总结

本文通过比较PFM和PWM两种调制方式开始对充放电系统进行分析，采用PFM作为系统的调制方式；设计了PFM电荷泵系统电路、电平转换电路和驱动电路，并对系统设计中需要考虑细节也做了详细的分析，最终使得驱动电路能满足充放电系统的要求。

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