电池供电的便携式电子产品的发展,对DC/DC电源管理芯片提出了新的挑战,要求更低功耗、更小体积、更快响应、更小纹波。常见的DC/DC控制芯片有LDO、开关电感型和开关电容型。其中LDO是线性调整器,相对而言,其效率最低;电感型控制器尽管效率较高,但存在体积大,EMI高等缺点;而开关电容型电荷泵,效率较高,且具有功率密度高的优点,在几百毫安的负载范围内,其优势最为明显。本文在深入研究电荷泵功率级特性的基础上,综合分析了现存的各种控制模式,包括电压型控制模式、电流型控制模式和传统的PFM控制模式等,提出了一种新的变频(FR)控制模式。FR控制策略在重载、中载时采用连续的变频模式,使变换器达到更高的工作效率,同时减小其纹波电压;在轻载下采用传统的PFM控制策略,提高效率。本文的主要创新点如下:一、实现了一种新颖的变频(FR)控制策略。其优点是:效率高,纹波小,克服了传统PFM控制策略的缺点。二、建立了频率调制的电荷泵功率级模型。该模型为采用频率控制策略的电荷泵环路稳定性设计,提供了理论分析基础。迄今为止没有关于变频控制的电荷泵功率级模型的文章发表。文中第一章分析了各种常用的电荷泵功率级结构。在此基础上,第二章详细分析了不同的控制策略。第三章针对提出的变频(FR)控制策略,对交叉藕荷电荷泵功率级进行了小信号建模。第四章详细分析了系统的各个单元模块电路。其中包括误差放大器,振荡器,死区控制电路,电荷泵功率级,迟滞比较器,以及数字逻辑控制单元等。第五章对采用FR控制策略的电荷泵系统进行了理论分析,设计和仿真验证。本设计是在TSMC 0.35um 2P4M polycide工艺下进行的,并且使用CADENCE的Spectre仿真器进行了仿真验证,仿真的结果证明本文提出的变频(FR)控制策略被顺利实现,系统整体效率得到了明显的改善。