一种便携式通信设备开关电源设计

【摘

 要】传统便携式设备电源采用电感作为储能元件时存在体积大、电路复杂等问题。提出了

一种新型开关电源设计方案，该方案以电容作为储能元件，电荷泵作为电压变换器，采用
Buck-Boost 型拓扑结构和 PWM 恒定频率控制技术，缩小了电源体积，简化了电路设计。文
中详细介绍了电荷泵的工作原理和开关电源设计思路，并通过实验测试了电源的主要性能
指标。测试结果表明该开关电源输入电压范围宽，输出电压纹波小，稳压效果好，转换效率
高，能较好满足便携式设备电源要求。

 

　　【关键词】便携式设备；电荷泵；开关电源；

Buck-Boost 

　　

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 

　　

■Vφ+Vin-VD（1） 

　　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：

 

　　

VOUT=VIN+n[

■]*Vφ-VD-■（2） 

　　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