0 引言
高邊功率開關(guān)是功率集成電路的典型電路之一。它 是將驅(qū)動(dòng)電路、控制電路與保護(hù)電路能夠集成于一個(gè)芯 片中,在一定程度上實(shí)現(xiàn)智能化的控制功能,將會(huì)大大 降低芯片的設(shè)計(jì)難度并且提高其性能。而電荷泵電路則 是其中必不可少的重要驅(qū)動(dòng)電路。隨著人們對(duì)便攜式電 子設(shè)備的消費(fèi)需求越來越高,電子產(chǎn)品的高性能、低功 耗、輕型化等需要使得電源開關(guān)相關(guān)的芯片性能要求愈 加提升,而對(duì)電荷泵電路的性能要求也隨之越來越高。
智能功率開關(guān)將控制電路,保護(hù)電路,驅(qū)動(dòng)電路以 及一些外圍接口與功率開關(guān)做成一體化的集成芯片。其 中驅(qū)動(dòng)電路就是本文所提及的電荷泵電路。智能功率開 關(guān)分為高邊功率開關(guān)和低邊功率開關(guān),高邊與低邊的區(qū) 別在用作開關(guān)作用的MOS 管接在電源端還是地端。根 據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境會(huì)選擇不同的功率開關(guān)。
高邊功率開關(guān)如圖1 所示,高壓功率管NMOS 起主 要的開關(guān)作用,通過電荷泵驅(qū)動(dòng)電路對(duì)功率MOS 管的 柵極進(jìn)行充放電來控制其開啟與關(guān)斷。
電荷泵是一種電荷轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行工作的電路,在本文所研究的這款芯片中,電荷通過對(duì)功率管的柵電 容進(jìn)行周期性的充電,將柵電壓逐漸提高到功率管的開 啟電壓以上,從而保證芯片能夠開啟。由于電荷泵會(huì)對(duì) 柵極進(jìn)行持續(xù)的充電,因此柵極電壓會(huì)充到電源電壓以 上,需要一個(gè)鉗位電路來限制柵極的最高電壓,即電荷 泵電路的輸出電壓。
1 電荷泵電路的設(shè)計(jì)背景和基本原理
1.1 電荷泵電路的設(shè)計(jì)背景
本文設(shè)計(jì)的電荷泵電路是應(yīng)用于一款電源電壓工作 范圍為4.7~52 V 的高邊功率開關(guān)電源芯片。本文中取 40 V為例進(jìn)行設(shè)計(jì),為了使得功率開關(guān)管在供電電源為 40 V時(shí)依舊可以正常工作,則電荷泵電路需要將驅(qū)動(dòng)電 壓抬升至40 V以上。
1.2 電荷泵電路基本原理
電荷泵是一種DC/DC 的電壓轉(zhuǎn)換電路,在實(shí)際應(yīng) 用中電荷泵可以將輸入電壓的相位反轉(zhuǎn)即正電壓輸出為 負(fù)電壓,或者將輸入電壓的大小增大甚至翻倍。電荷泵 的原理是通過對(duì)內(nèi)部電容的周期性的充放電,利用電容 電壓不能突變的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓大小和相位的控 制,因此將這種電路稱為電荷泵變換器。
電荷泵的基本原理電路如圖2所示,該電路的核心 是兩個(gè)電容、一個(gè)反相器和四個(gè)開關(guān)組成。開關(guān)的關(guān) 斷與開啟由電荷泵前級(jí)電路輸入的周期變化的方波信 號(hào)與反相器控制,且開關(guān)狀態(tài)總是成對(duì)出現(xiàn)??刂菩?號(hào)在第一個(gè)高電平時(shí),S1開關(guān)和S2開關(guān)閉合、S3開關(guān) 和S4開關(guān)則會(huì)因?yàn)榉聪嗥鞫鴶嚅_,此 時(shí),圖2中左邊的回路就會(huì)導(dǎo)通,輸 入電壓U1開始對(duì)電容C1進(jìn)行充電,靠 近S1端為正電壓;在控制信號(hào)為低電 平時(shí),開關(guān)狀態(tài)相反,即S1開關(guān)和S2 開關(guān)斷開、S3開關(guān)和S4開關(guān)閉合,此 時(shí)圖2中的左側(cè)回路關(guān)閉而右側(cè)回路開 啟,電容C1向C2放電,電荷就會(huì)存儲(chǔ) 在電容C2的內(nèi)部,其兩端的電壓差值 將會(huì)達(dá)到U1,且靠近開關(guān)S3端是正電位,而由于電容C2上極板接地,則輸出電壓U0的電壓 為-U1。由此可以得到與輸入電壓極性相反的輸出電 壓。之后下一個(gè)周期的方波信號(hào)來臨,高電平時(shí),S1開 關(guān)和S2開關(guān)再次閉合、S3開關(guān)和S4開關(guān)再次斷開,輸入 電壓U1又一次向電容C1進(jìn)行充電,之后方波低電平, 和之前一樣,S1開關(guān)和S2開關(guān)斷開、S3開關(guān)和S4開關(guān) 閉合,在原本C2中就存儲(chǔ)電荷的情況下,C1繼續(xù)向C2 放電,C2極板的電壓就會(huì)升高。以此類推,如果控制信 號(hào)以高頻率方波輸入,則通過C1和C2的電壓轉(zhuǎn)換可以 在輸出端得到持續(xù)輸出的負(fù)電壓。
雖然電荷泵能夠?qū)崿F(xiàn)電壓變換,但從原理上可以理 解其輸出電壓始終處于動(dòng)態(tài)的變化之中,且電容的充放 電過程中會(huì)有輸出電流,電壓轉(zhuǎn)換過程中會(huì)出現(xiàn)能量損 耗。因此設(shè)計(jì)一個(gè)所需的電荷泵電路的終點(diǎn)就在于克服 這些因素。
2 電荷泵電路的設(shè)計(jì)
經(jīng)過對(duì)原理的分析以及相關(guān)知識(shí)的理解,經(jīng)過多 次嘗試后,最終得到的圖3即為所設(shè)計(jì)的電荷泵實(shí)際電 路圖。
在圖3所示的電路中,VDD為輸入電源電壓,Vn和Vp 是由電荷泵前級(jí)振蕩器電路產(chǎn)生的固定頻率方波電壓, 二者頻率相同但相位相差180°, Vlogic為控制電壓,該電 壓為高時(shí)電荷泵工作,為低時(shí)電荷泵關(guān)斷,GND為地電 位;圖中右側(cè)輸出一側(cè)中,Q9即為電荷泵電路驅(qū)動(dòng)的 功率MOS開關(guān)管,Vgate為電荷泵輸出電壓,負(fù)責(zé)連接被 驅(qū)動(dòng)功率管的柵極,OUT端為功率管的源極輸出電位。
圖3中,Q1、Q2、Q3組成電流鏡電路,當(dāng)Vlogic為 高電平時(shí),Q1所在的支路導(dǎo)通,為Q2、Q3提供合理的 柵極電壓,當(dāng)Vp為高電平時(shí),Vn為低電平,則NMOS 管Q5導(dǎo)通、Q6關(guān)斷,此使由Q3、C2、D1、C1、Q5組 成的充電回路導(dǎo)通,對(duì)C1和C2電容進(jìn)行充電,若忽略 Q3、D1、Q5上的壓降,則VDD和GND之間分擔(dān)電壓的 只有C1和C2兩個(gè)電容,若二者容值相等,則C1右極板 處的電壓在充電后會(huì)被抬升至0.5 VDD;接下來Vp變?yōu)?低電平時(shí),Vn變?yōu)楦唠娖?,則NMOS管Q6導(dǎo)通、Q5關(guān) 斷,充電回路關(guān)斷,同時(shí)忽略Q2電壓,則C1左極板電 壓被瞬間抬升至VDD,因?yàn)殡娙蓦妷翰荒芡蛔?,則C1右 極板處的電壓也會(huì)被抬升至1.5倍的VDD,實(shí)現(xiàn)了電壓抬 升的效果。之后Vn、Vp反復(fù)導(dǎo)通、關(guān)斷,逐級(jí)抬升C1 右極板處電壓。但是因?yàn)檩敵龅腣gate端支路上接著由二 極管D3~D8和二極管連接的NMOS管Q8組成的反偏二 極管鏈,使得輸出處的Vgate電壓最高只能比VDD高出固 定數(shù)值的電壓,進(jìn)一步抬升時(shí)這些反偏二極管就會(huì)導(dǎo) 通,使得Vgate處電壓不會(huì)過高,以確保主功率管的柵極 不會(huì)被過高的電壓擊穿, 同時(shí)使得主功率管在正常 工作時(shí)處于線性區(qū)。因?yàn)?存在這樣的一個(gè)保護(hù)電 路,在逐級(jí)抬升至比VDD 高出一定數(shù)值的電壓后, Vgate會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)電壓值 對(duì)功率MOS管Q9進(jìn)行驅(qū) 動(dòng),對(duì)于本文以40 V為例 的情況,所涉及的電壓值 約為42.5 V。當(dāng)該電荷泵 電路應(yīng)用于不同的電路情 況時(shí),所需的最終輸出的 穩(wěn)定電壓值也不盡相同, 而這個(gè)最終穩(wěn)定的輸出電壓和電源電壓之間的差值,可 以通過調(diào)整二極管鏈中每個(gè)管子的參數(shù)或管子的數(shù)量而 得到。
當(dāng)Vlogic電壓為低時(shí),則Q1所在支路關(guān)斷,同時(shí)經(jīng)過 反相器后連接到NMOS管Q7柵極的電壓為高,使得其導(dǎo)通,將Vgate處電壓迅速拉低。
3 仿真結(jié)果與分析
此電荷泵電路被應(yīng)用于一款電源電壓工作范圍為 4.7 ~52 V 的高邊功率開關(guān)電源芯片,基于0.35 μm的 BCD工藝。本文以40 V電源電壓,前級(jí)輸入的方波頻率 0.5 MHz為例,經(jīng)過Hspice軟件進(jìn)行仿真,得到的仿真 結(jié)果如圖4所示。
通過圖4的整體仿真波形可以看出,當(dāng)電荷泵的開 啟電壓Vlogic為高,電路開始工作后,輸出電壓Vgate迅速 抬升,在48 μs的時(shí)候?qū)㈦妷禾粮哂陔娫措妷?0 V 的42.56 V,并且之后基本穩(wěn)定在這個(gè)數(shù)值不會(huì)更高, 而當(dāng)開啟電壓Vlogic關(guān)斷時(shí),輸出電壓迅速拉低,整個(gè)電 路進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài),直到Vlogic重新拉高,才開始再一次工作。
以上是3 ms的整體仿真波型,而圖5則是60 μs內(nèi)的 仿真波形,經(jīng)過放大可以看出電荷泵輸出電壓的逐級(jí)抬升過程。
可以看出,當(dāng)輸入的開啟電壓Vlogic高于開啟閾值 后,電荷泵電路開始工作,根據(jù)之前的原理圖可以看 出,隨著兩個(gè)相位相反的方波逐漸輸入,電容不斷地 充放電,電路輸出端Vgate開始一次次階梯狀升壓,在M0 點(diǎn),即31.08 μs后輸出端的電壓Vgate達(dá)到電源電壓40 V,之后繼續(xù)抬升,最終從啟動(dòng)經(jīng)過了48.20 μs之后,輸出 電壓達(dá)到了42.69 V并趨于穩(wěn)定,之后略有抬升但幅度 很小,最終穩(wěn)定的電壓為42.78 V且不會(huì)過高,這是由 于二極管D3~D8和二極管連接的NMOS管Q8組成的反 偏二極管鏈起到了過壓保護(hù)的功能。根據(jù)以上仿真波形 可以看出,從啟動(dòng)到電壓基本穩(wěn)定共需48~50 μs。
同時(shí)在調(diào)試仿真的過程中觀察到,電荷泵抬升所需 要的時(shí)間和輸入方波的頻率具有一定相關(guān)性,經(jīng)過多次 仿真測(cè)試,在電路其他參數(shù)保持不變的情況下,得到前 級(jí)輸入的方波頻率和輸出電壓抬升時(shí)間之間的關(guān)系如表 1所示??梢愿鶕?jù)實(shí)際工藝水平、工作環(huán)境等需求,計(jì) 算出前級(jí)震蕩器所能輸出的最終頻率,根據(jù)此表可以得 出對(duì)應(yīng)的輸出電壓抬升時(shí)間。
4 結(jié)論
本文討論了電荷泵技術(shù)的原理,并根據(jù)該原理設(shè)計(jì) 出了一種能夠快速抬升輸出電壓至電源電壓以上一定值 的電荷泵電路結(jié)構(gòu)。該電路可以很好得工作于一款基于 0.35 μm、BCD工藝的電源電壓工作范圍為4.7 V~52 V 的高邊功率開關(guān)電源芯片。本文設(shè)計(jì)完成后,經(jīng)過 Hspice軟件進(jìn)行了相關(guān)仿真,印證了該電路設(shè)計(jì)的正確性。同時(shí)由于工藝溫度 等條件的不同,實(shí)際輸入 方波能達(dá)到的穩(wěn)定頻率 并不一定,因此本文還總 結(jié)了不同輸入方波頻率 與輸出電壓抬升時(shí)間之間 的關(guān)系。該電路同樣可以 適用于其他功率開關(guān)驅(qū)動(dòng) 電路。
參考文獻(xiàn):
[1] CINI C, PALARA S, SERAGNOLI G. A new chip and a new package for higher power[J], IEEE Trans. Consumer Electronics, 1980, 26(2): 54-71.
[2] WACYK I, AMATO M, RUMENNIK V. A power IC with CMOS analog control[C], IEEE ISSCC, 1986 :16-17.
[3] OHNO T, MATSUMOTO S, LZUMI K. An intelligent power IC with double buried-oxide layers formed by SIMOX technology[J]。 IEEE Trans. on Electron Devices, 1990, 40(11):2074-2079.
[4] KIM B, KIM C, HAN S, et al. 1.2um Non-epi CMOS Smart Power IC With Four H-bridge Motor Drivers For Portable Applications[C]。 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 1996, 633-636.
[5] 張立, 趙永健。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M]。 北京: 科學(xué)出版社, 1992. [6] 尹賢文。一種車用高邊智能功率開關(guān)電路的研制[J]。 微電子學(xué), 1997, 27(5):334-338.
[7] BALIGA B J. Evolution and status of smart power technology[C]。 Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1992: 19-22.
[8] ELMOZNINE A, BUXO J, BAFLEUR M, et al. The smart power high-side switch: description of a specific technology, its basic devices, and monitoring circuits[J]。 IEEE Trans. on Electron Devices, 1990, 37(4): 1154-1160.
[9] LATHAM L F. Automotive power integrated circuit processes[C]。 Automotive Power Electronics, 1989: 106108.
[10] SUN J, JIANG F, GUAN L. A New Isolation Technology for Automotive Power-Integrated-Circuit Applications[J]。 IEEE Trans. on Electron Devices, 2009, 56(9):2144-2149.
[11] MURARI B, BERTOTTI F, VIGNOLA G. Smart power ICs technologies and applications[M]。 New York, 2002.
[12] 胡浩。智能功率集成電路中部分模塊的研究[D]。成都: 電子科技 大學(xué), 2011, 37-47.
評(píng)論
查看更多