基于电荷泵DC-DC 转换器的开关电源设计

陈逸飞， 李校良， 李梓萍， 闫泓全， 金书池

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院， 辽宁 葫芦岛 125000）

1 研究背景与意义

开关电源具有效率高、静态电流小、芯片面积小、重量轻和价格便宜等优点，DC-DC 转换器被广泛应用于各种小功率电子系统中[1]。一些国家的开关电源芯片已经发展到一个很高的水平，但是，国内的开关电源行业仍处于起步阶段。因此，本文设计一款效率较高、性能较好的电荷泵DC-DC 转换器，以期提高国产开关电源的竞争优势。

2 电荷泵及电荷泵电路设计

2.1 电荷泵的定义

电荷泵是一种DC-DC 转换器，它结合了电容器和二极管来提升输出电压，并利用电容作为储能组件，其特点是在开关频率作用下，利用一只电容器快速地传递能量，使输出电压的极性与输入电压的极性相反，且输出负电压既可以高于输入电压，也可以低于或者等于输入电压[2]。

2.2 电荷泵电路设计

电荷泵电路是一种能够将低电压转换为高电压的电路，其工作原理是利用电容器的充放电过程来实现电压的改变。电荷泵IC 可以被用作逆变器、分路器或者增压器。逆变器可以将输入电压转变成一个负输出。

本文设计输出电压Vout2部分电荷泵电路，采用负压电荷泵电路，用于将由Boost 部分提供的5.5 V 通过Vin转换为负电压，当方波为高电平时，经过电容C右侧后经过二极管直接接地，Vin为电容充电，其左右两侧形成电压差，电流通过二极管接地，当Vin方波信号为低电平，此时由于电容电压不能突变，电压差仍然存在，因此，电容C 右侧变为负压，实现了Vout的输出为负。

电荷泵电容计算：升压电容的储能要大于输出电容的储能，取升压电容能量等于10 倍输出电容的能量。

电荷泵电路纹波计算公式：

考虑ESR 实际，取0.1 μF。为了降低纹波，同时，电容在充放电过程中电容的ESR 会导致损耗，故选择ESR 低的电容。为了提高工作温度范围，选择X7R、X5R 电容。由于容量越大，提供电流能力也就越强。因此，在设计中选择MLCC（陶瓷电容），电荷泵电路设计图如图1 所示。

图1 负压电荷泵电路

3 升压电路设计

3.1 Boost 升压电路

Boost 电路使用电源管理芯片FP5202，连接方式为：输入电压Vin经过输入电容EC2 输入到引脚Vcc，EN 引脚直接接高电平，输出电压Vout通过采样电路输入反馈引脚FB 接入引脚，将反馈电压输入误差信号放大器负端，与0.6 V 参考电压进行比较放大后，误差信号放大器输出模拟信号误差电压UER，外接电阻与电容的补偿滤波网络使控制信号顺滑，然后输入到PWM比较器的负端，与PWM比较器正端的锯齿波发生器发生的锯齿波电压进行比较，产生脉冲宽度不同的PWM输出信号。当输出电压升高时，反馈电压随之升高，误差放大器的输出误差电压随之降低，进而使PWM 输出的脉冲宽度随之减小，输出电压随之降低，实现稳压功能，如图2 所示。

图2 Boost 升压

3.2 稳压电路

基于TL431 的稳压电路作用为稳定输出电压Vout3 为+5 V，使用稳压管TL431 进行稳压，其稳压公式为：

式中：VOUT=5 V；R1/R2=1；R5=10 kΩ；R9=10 kΩ。

稳压电路设计如图3 所示，其中，R4为TL431 提供工作电流同时也为晶体管Q2 提供基极电流，C10起到补偿作用，三极管Q4 与MOS 管Q3 为延时电路，三极管Q4 导通时PMOS 管栅极接地导通，Vout3输出稳定+5 V 输出电压。

图3 +5 V 稳压电路

4 电路仿真与分析

4.1 基于PSIM仿真模型

使用PSIM仿真软件搭建整体仿真模型，如图4所示。

图4 基于PSIM 的原理图仿真

4.2 仿真结果分析

输出电压电流仿真：将PSIM 仿真步长设置为100 ns，仿真时间总长设置为0.1 s。输入直流电压为3 V，输出负载额定Vout1为5.5 V/1 A，Vout2为-5 V/0.1A，Vout3为5 V/0.1A，运行仿真直至结束。仿真结果Vout1输出电压5.5 V 和电流波形，电流为0.9 A，符合设计要求。

输出纹波测试：Vout1输出电压纹波，小于输出电压Vout1的2%，符合设计要求，如图5 所示。

图5 Vout1 输出电压纹波

Vout2输出电压纹波，小于输出电压Vout2的2%，如图6 所示。

图6 Vout2 输出电压纹波

Vout3输出电压纹波小于输出电压Vout3的2%，如图7 所示。

图7 Vout3 输出电压纹波

Boost 电路测试：开关管Q5 的Vgs、Vds波形，如图8 所示，Vgs为MOS 驱动电压，Vds为开关管漏级和源极之间电压。当MOS 管栅为极高电平时，MOS 管饱和导通，当MOS 管栅为极低电平时，MOS 截止。MOS管Vds电压为5.5 V。

图8 开关管Q5 的Vgs 和Vds 波形

升压电感电流波形如图9 所示。从波形看，升压电感L1 电流始终在0 A 上方，电感工作在CCM连续工作模式，开关管开通的时候，根据电感的特性，电感上的电流不能突变，电感电流线性上升，开关管关掉的时候。同样，电感电流也是不能突变，电感上电流线性下降。

图9 升压电感L1 的电流波形

5 结论

DC-DC 转换器利用电容、电感的储能的性能，通过可控开关等的动作来将输入的电能储存在电容、电感里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。

本论文设计了基于电荷泵倍压与负压的DC-DC开关电源，拓扑结构与控制方式简单，设计的DC-DC开关电源可以输出±5 V 电压应用于运算放大器的供电，具有输出电压电流特性良好、效率较高和纹波较低等优点。仿真包含各个关键器件和节点的电压电流波形，设计并分析了升压电路模块、电荷泵倍压、滤波及稳压模块，分析了电路设计的基本原理。基于PSIM仿真软件搭建了本DC-DC 变换器模型，观测并验证了电路中重要器件和线路上的关键点电压电流波形，运行结果符合设计目标。