一种便携式通信设备开关电源设计

向 敏 赵星宇

(重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，中国 重庆400065)

0 引言

电源作为电子设备不可或缺的一部分，高效率的电源管理技术对产品性能的提升具有很大的帮助，便携式设备尤其突出[1]。不同设备对电源的要求不尽相同，对电源的某些参数如输出电压、电流能力、效率等，以及对电源的体积、可靠性等指标也会有所差别[2]。随着电子产品向轻、薄、小以及多功能、智能化方向发展，电池作为便携式设备的主要供电电源，电池容量的提升已经远远跟不上复杂度不断提升的便携式设备的功耗要求[3]，迫切需要研究如何使便携式设备电源具有更小体积、高可靠性、高效率和更低成本[4]。传统的线性电源在体积、效率等方面已无法满足便携式设备的要求。高效率、小体积的开关电源应运而生。为解决便携式设备电源输入电压能力单一的问题，便携式设备电源电路通普遍用Buck-Boost变换器[5]。

Buck-Boost变换器兼有升压与降压功能[6]，可根据输入和外围电路选择合适的输出。常用的Buck-Boost变换器外部采用电感作为储能元件[6]，而电感的体积比较大，电路复杂。本文提出了一种采用Buck-Boost型电荷泵作为电路主拓扑，PWM恒定频率控制技术，外接快速充电电容作为储能元件的开关电源设计，解决了电感作为储能元件时体积大、电路复杂等问题。

1 电荷泵基本原理

电荷泵最早是由John F.Dickson提出的[7]，目前使用的电荷泵几乎都以Dickson电荷泵原理为基础。Dickson电荷泵电路如图1所示。当Ф为低电平时，输入端第一个二极管导通，输入电压对与第一个节点相连的电容进行充电，直到节点1的电压为Vin-VD；当Ф为高电平时，第一个二极管截止，第二个二极管导通，节点1的电压为

此时对与节点2相连的电容进行充电，直到完成n级电容的充放电[7]，可得输出电压为：

式中N为电路阶数，VФ为脉冲信号高电平时电压幅值，CS为寄生电容，VD为二极管管压降，Iout为负载电流，f为脉冲信号频率。通常情况下电路需满足 C＞CS＞0.1C[7]。

图1 Dickson电荷泵电路

Dickson电路最初是为了提供可擦写EPROM所需的电压，后来J.Witters，Toru Tranzawa等人对J.Dickson的电荷泵模型进行了改进[8]，提出了比较精确的理论模型。随着大规模集成电路、超大规模集成电路的高速发展，电荷泵已广泛应用于集成电路中。

2 开关电源设计

2.1 电源电路结构

LTC3245电路采用基于DC-DC转换器的电荷泵拓扑结构，该结构较传统的DC-DC转换器电路结构简单，EMI较小[9]。电荷泵电路共有三种转换率，2:1降压模式，1:1降压模式和1:2升压模式，只需要在外部接一个快速充电电容，电路即可根据输入电压和输出电压自动选择不同的转换率。当满足Vin＞2Vout时，电路选择2:1降压模式；当输入电压介于2Vout与Vout之间时，电路选择1:1降压模式；当输入Vin＜Vout时，电路选择1:2升压模式。转换率的调整是通过检测输出电压和调节每个周期转移的电荷量来实现的。这种调节方法比传统的电荷泵调节电路具有更低的输出纹波。

LTC3245内部包括电荷泵模块、基准电压源、PWM控制信号产生模块、输出电压可调模块等。

电荷泵模块为开关电源核心部分，兼有升降压功能。开关电路通过PWM控制信号控制电荷泵的充放电。电荷泵中模拟开关采用MOS管组成，PWM信号经过驱动电路控制MOS管的开关。采用MOS管可以减小电荷泵的输入电阻，提高输出效率[10]。

基准电压源为比较器提供稳定的参考电压，目前使用最广泛的电压基准是带隙基准电压源，它的温度漂移系数小、电源抑制比高。带隙基准电压源主要利用具有正温度系数和负温度系数的电压相叠加，产生一个具有较低温度系数的稳定的输出电压[11]。LTC3245内部电路包括1.2V和1.14V两个基准电压源。

PWM信号由多路复用开关输出的信号经过电压比较器之后输出。PWM信号主要作为控制电荷泵的脉冲信号。设计中采用比较器实现具有速度快、精度高、易于控制等优点。

输出电压可调电路主要由多路复用开关实现。电路根据A和B输入的不同组合自动选择输出模式。

2.2 开关电源设计

电路根据输入电平A和B不同组合，输出三种模式：关闭输出、固定输出以及输出可调。输出可调电压，必须通过外部电阻调节。如果需要输出电压可调，引脚ADJ必须与Vout和GND之间各连接一个电阻，并且A接高电平，B接低电平。输出可调电路如图2所示。

图2 输出电压可调电路

输出电压在2.5V与5V之间可调，输出端调节电阻需满足：

式中Rb的阻值选择在1K到1M之间，增大Rb会导致输出电流变小。

2.3 开关电源转换效率计算

电荷泵电路的转换效率随电路的工作模式的改变而改变[12]。当输入电压大于等于输出电压的2倍时，内部电路选择2:1降压模式。此时内部电路工作在两个阶段。第一阶段，快速充电电容C连接在Vin和Vout之间，输入电压给C充电并输出电流。第二阶段，快速充电电容连接在Vout和GND之间，将第一阶段储存在C中的电压输出。此种模式下，输出电流约为输入电流的两倍。另外两种模式与此类似。理想转换效率(η)和耗散功率(PD)分别为：

式中N为转换系数。实际计算开关电源转换效率时还必须减去三极管、电阻等功率元件的损耗。

3 开关电源测试

为验证上述设计是否满足便携式设备电源要求，对设计电路进行了测试。主要测试的指标包括输出电压、输出电压纹波、最大输出电流和电路转换效率，并给出了试验数据和波形。表1和图3分别为输入9V时的负载特性和输出电压纹波。

表1 输入9V输出3.3V和5V负载特性

图3 输入9V输出3.3V和5V的纹波

由表1可知，在固定输出降压模式下，正常最大输出电流在180mA左右，输出3.3V和5V电压稳定。由图4可看出，稳定输出3.3V时，输出电压纹波为44mV；稳定输出5V时，输出电压纹波为52mV，输出电压纹波较小。根据公式(3)可得，理想状态下输出3.3V的转换效率(η1)和输出5V的转换效率(η2)分别为：

图4 输入3V输出3.3V和5V的纹波

表2和图4为输入3V时的负载特性和输出电压纹波。由表2可知，在固定输出升压模式下，正常最大输出电流在110mA左右，输出3.3V和5V电压稳定。由图6可看出，输出3.3V和5V时，输出电压纹波均为48mV左右，输出电压纹波较小。根据公式(3)可得，理想状态下输出3.3V的转换效率(η3)和输出5V的转换效率(η4)分别为：

由式(6)和式(7)可以看出，当输入电压大于输出电压时，输出3.3V的转换率远远高于输出5V的转换率；由式(8)和式(9)可以看出，当输入电压小于输出电压时，输出5V的转换率远远高于输出3.3V的转换率。实际测得输入9V，输出3.3V时，开关电源转换效率为67%左右；输入3V，输出5V时，开关电源转换效率为73%左右。由此可知，根据输入输出电压的不同，选择合适的转换模式，可得到较高的转换效率。由公式(5)可知，当输出电压不变，随着输入电压提高，耗散功率增大，转换效率降低。当输出电压确定之后，适当减小输入电压可提高转换效率。

另外还测试了电路的输入电压范围和输出电压范围。经测试，在电路正常工作状态下，输入电压范围为2.7V到24V，输出电压2.5V～5V可调，最大输出电流为降压模式下，约为230mA。综上所述，该开关电源适合于便携式设备。

4 结论

本文设计了一种应用于便携式设备的开关电源，介绍了开关电容式电荷泵设计思路，减小了电路体积，简化了电路设计，并通过实验测试了电源的性能参数。实验结果表明，设计的开关电源结构合理，性能稳定可靠，满足便携式设备电源需求。

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