论文摘要
随着便携式电子设备的流行,各种各样功耗电子器件的集成度越来越高,相应的电源管理系统也需要同步地改进。目前,电源管理系统设计者在面对由电池供电的移动设备的应用时,面临的最大挑战就是如何满足其低成本、小体积、高电能转换效率、快速响应和多通路电压输出等性能的要求。针对这样的研究背景,本论文提出了一种新颖的高效率双端稳压输出电荷泵芯片。它是一种开关电容型直流直流电压变换器,仅采用片外电容作为储能元件,代替普通开关电源中体积较大的电感,因此具有体积小、低成本和低电磁干扰的优点。在2.1V～3.6V的输入电压范围内,该电荷泵能同时产生一路5.0V的升压稳压输出和一路1.8V的降压稳压输出,可以为电子设备中的模拟电路、数字电路和混合信号电路等供电;由于采用创新的共享开关电容阵列拓扑作为功率级,片上集成的MOSFET功率开关和片外的电容能同时为两路输出提供电能,大大降低了芯片面积和片外器件的数量。本论文对现有电荷泵的拓扑、控制策略和分析方法进行了广泛的调研,在此基础上推导出了一种准确的双端输出电荷泵理论模型,并通过电路仿真结果验证,此模型的相对误差低于0.5%。在此理论模型的指导下,本论文创新地提出了自动增益跳变控制策略,有效地将低增益的高效率特性和高增益的电压提升特性结合在一起,使本电荷泵具有高效率和快速响应的优点。同时,该电荷泵采用新颖的数字状态机控制器作为核心控制电路,很好地实现了两路稳压输出,提高了总的电流负载能力,并使本电荷泵具有更多稳压输出通路的扩展能力。本芯片采用TSMC 0.35um CMOS工艺设计并完成制造,芯片面积为2.75mm×2.25mm.测试结果表明,该电荷泵能实现5.0V和1.8V的同步稳压输出,动态响应快速,符合设计要求;在增益跳变模式下,该电荷泵的电能转换效率较传统电荷泵提升最大达到20%,平均约为10%,达到设计预期。