一種便攜式通信設備開關電源設計

向 敏 趙星宇

(重慶郵電大學 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡化控制教育部重點實驗室，中國 重慶400065)

0 引言

電源作為電子設備不可或缺的一部分，高效率的電源管理技術對產(chǎn)品性能的提升具有很大的幫助，便攜式設備尤其突出[1]。不同設備對電源的要求不盡相同，對電源的某些參數(shù)如輸出電壓、電流能力、效率等，以及對電源的體積、可靠性等指標也會有所差別[2]。隨著電子產(chǎn)品向輕、薄、小以及多功能、智能化方向發(fā)展，電池作為便攜式設備的主要供電電源，電池容量的提升已經(jīng)遠遠跟不上復雜度不斷提升的便攜式設備的功耗要求[3]，迫切需要研究如何使便攜式設備電源具有更小體積、高可靠性、高效率和更低成本[4]。傳統(tǒng)的線性電源在體積、效率等方面已無法滿足便攜式設備的要求。高效率、小體積的開關電源應運而生。為解決便攜式設備電源輸入電壓能力單一的問題，便攜式設備電源電路通普遍用Buck-Boost變換器[5]。

Buck-Boost變換器兼有升壓與降壓功能[6]，可根據(jù)輸入和外圍電路選擇合適的輸出。常用的Buck-Boost變換器外部采用電感作為儲能元件[6]，而電感的體積比較大，電路復雜。本文提出了一種采用Buck-Boost型電荷泵作為電路主拓撲，PWM恒定頻率控制技術，外接快速充電電容作為儲能元件的開關電源設計，解決了電感作為儲能元件時體積大、電路復雜等問題。

1 電荷泵基本原理

電荷泵最早是由John F.Dickson提出的[7]，目前使用的電荷泵幾乎都以Dickson電荷泵原理為基礎。Dickson電荷泵電路如圖1所示。當Ф為低電平時，輸入端第一個二極管導通，輸入電壓對與第一個節(jié)點相連的電容進行充電，直到節(jié)點1的電壓為Vin-VD；當Ф為高電平時，第一個二極管截止，第二個二極管導通，節(jié)點1的電壓為

此時對與節(jié)點2相連的電容進行充電，直到完成n級電容的充放電[7]，可得輸出電壓為：

式中N為電路階數(shù)，VФ為脈沖信號高電平時電壓幅值，CS為寄生電容，VD為二極管管壓降，Iout為負載電流，f為脈沖信號頻率。通常情況下電路需滿足 C＞CS＞0.1C[7]。

圖1 Dickson電荷泵電路

Dickson電路最初是為了提供可擦寫EPROM所需的電壓，后來J.Witters，Toru Tranzawa等人對J.Dickson的電荷泵模型進行了改進[8]，提出了比較精確的理論模型。隨著大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，電荷泵已廣泛應用于集成電路中。

2 開關電源設計

2.1 電源電路結(jié)構(gòu)

LTC3245電路采用基于DC-DC轉(zhuǎn)換器的電荷泵拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)簡單，EMI較小[9]。電荷泵電路共有三種轉(zhuǎn)換率，2:1降壓模式，1:1降壓模式和1:2升壓模式，只需要在外部接一個快速充電電容，電路即可根據(jù)輸入電壓和輸出電壓自動選擇不同的轉(zhuǎn)換率。當滿足Vin＞2Vout時，電路選擇2:1降壓模式；當輸入電壓介于2Vout與Vout之間時，電路選擇1:1降壓模式；當輸入Vin＜Vout時，電路選擇1:2升壓模式。轉(zhuǎn)換率的調(diào)整是通過檢測輸出電壓和調(diào)節(jié)每個周期轉(zhuǎn)移的電荷量來實現(xiàn)的。這種調(diào)節(jié)方法比傳統(tǒng)的電荷泵調(diào)節(jié)電路具有更低的輸出紋波。

LTC3245內(nèi)部包括電荷泵模塊、基準電壓源、PWM控制信號產(chǎn)生模塊、輸出電壓可調(diào)模塊等。

電荷泵模塊為開關電源核心部分，兼有升降壓功能。開關電路通過PWM控制信號控制電荷泵的充放電。電荷泵中模擬開關采用MOS管組成，PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路控制MOS管的開關。采用MOS管可以減小電荷泵的輸入電阻，提高輸出效率[10]。

基準電壓源為比較器提供穩(wěn)定的參考電壓，目前使用最廣泛的電壓基準是帶隙基準電壓源，它的溫度漂移系數(shù)小、電源抑制比高。帶隙基準電壓源主要利用具有正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的電壓相疊加，產(chǎn)生一個具有較低溫度系數(shù)的穩(wěn)定的輸出電壓[11]。LTC3245內(nèi)部電路包括1.2V和1.14V兩個基準電壓源。

PWM信號由多路復用開關輸出的信號經(jīng)過電壓比較器之后輸出。PWM信號主要作為控制電荷泵的脈沖信號。設計中采用比較器實現(xiàn)具有速度快、精度高、易于控制等優(yōu)點。

輸出電壓可調(diào)電路主要由多路復用開關實現(xiàn)。電路根據(jù)A和B輸入的不同組合自動選擇輸出模式。

2.2 開關電源設計

電路根據(jù)輸入電平A和B不同組合，輸出三種模式：關閉輸出、固定輸出以及輸出可調(diào)。輸出可調(diào)電壓，必須通過外部電阻調(diào)節(jié)。如果需要輸出電壓可調(diào)，引腳ADJ必須與Vout和GND之間各連接一個電阻，并且A接高電平，B接低電平。輸出可調(diào)電路如圖2所示。

圖2 輸出電壓可調(diào)電路

輸出電壓在2.5V與5V之間可調(diào)，輸出端調(diào)節(jié)電阻需滿足：

式中Rb的阻值選擇在1K到1M之間，增大Rb會導致輸出電流變小。

2.3 開關電源轉(zhuǎn)換效率計算

電荷泵電路的轉(zhuǎn)換效率隨電路的工作模式的改變而改變[12]。當輸入電壓大于等于輸出電壓的2倍時，內(nèi)部電路選擇2:1降壓模式。此時內(nèi)部電路工作在兩個階段。第一階段，快速充電電容C連接在Vin和Vout之間，輸入電壓給C充電并輸出電流。第二階段，快速充電電容連接在Vout和GND之間，將第一階段儲存在C中的電壓輸出。此種模式下，輸出電流約為輸入電流的兩倍。另外兩種模式與此類似。理想轉(zhuǎn)換效率(η)和耗散功率(PD)分別為：

式中N為轉(zhuǎn)換系數(shù)。實際計算開關電源轉(zhuǎn)換效率時還必須減去三極管、電阻等功率元件的損耗。

3 開關電源測試

為驗證上述設計是否滿足便攜式設備電源要求，對設計電路進行了測試。主要測試的指標包括輸出電壓、輸出電壓紋波、最大輸出電流和電路轉(zhuǎn)換效率，并給出了試驗數(shù)據(jù)和波形。表1和圖3分別為輸入9V時的負載特性和輸出電壓紋波。

表1 輸入9V輸出3.3V和5V負載特性

圖3 輸入9V輸出3.3V和5V的紋波

由表1可知，在固定輸出降壓模式下，正常最大輸出電流在180mA左右，輸出3.3V和5V電壓穩(wěn)定。由圖4可看出，穩(wěn)定輸出3.3V時，輸出電壓紋波為44mV；穩(wěn)定輸出5V時，輸出電壓紋波為52mV，輸出電壓紋波較小。根據(jù)公式(3)可得，理想狀態(tài)下輸出3.3V的轉(zhuǎn)換效率(η1)和輸出5V的轉(zhuǎn)換效率(η2)分別為：

圖4 輸入3V輸出3.3V和5V的紋波

表2和圖4為輸入3V時的負載特性和輸出電壓紋波。由表2可知，在固定輸出升壓模式下，正常最大輸出電流在110mA左右，輸出3.3V和5V電壓穩(wěn)定。由圖6可看出，輸出3.3V和5V時，輸出電壓紋波均為48mV左右，輸出電壓紋波較小。根據(jù)公式(3)可得，理想狀態(tài)下輸出3.3V的轉(zhuǎn)換效率(η3)和輸出5V的轉(zhuǎn)換效率(η4)分別為：

由式(6)和式(7)可以看出，當輸入電壓大于輸出電壓時，輸出3.3V的轉(zhuǎn)換率遠遠高于輸出5V的轉(zhuǎn)換率；由式(8)和式(9)可以看出，當輸入電壓小于輸出電壓時，輸出5V的轉(zhuǎn)換率遠遠高于輸出3.3V的轉(zhuǎn)換率。實際測得輸入9V，輸出3.3V時，開關電源轉(zhuǎn)換效率為67%左右；輸入3V，輸出5V時，開關電源轉(zhuǎn)換效率為73%左右。由此可知，根據(jù)輸入輸出電壓的不同，選擇合適的轉(zhuǎn)換模式，可得到較高的轉(zhuǎn)換效率。由公式(5)可知，當輸出電壓不變，隨著輸入電壓提高，耗散功率增大，轉(zhuǎn)換效率降低。當輸出電壓確定之后，適當減小輸入電壓可提高轉(zhuǎn)換效率。

另外還測試了電路的輸入電壓范圍和輸出電壓范圍。經(jīng)測試，在電路正常工作狀態(tài)下，輸入電壓范圍為2.7V到24V，輸出電壓2.5V～5V可調(diào)，最大輸出電流為降壓模式下，約為230mA。綜上所述，該開關電源適合于便攜式設備。

4 結(jié)論

本文設計了一種應用于便攜式設備的開關電源，介紹了開關電容式電荷泵設計思路，減小了電路體積，簡化了電路設計，并通過實驗測試了電源的性能參數(shù)。實驗結(jié)果表明，設計的開關電源結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)定可靠，滿足便攜式設備電源需求。

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