負(fù)壓電荷泵的工作原理

由Dickson電荷泵理論可以推廣得到產(chǎn)生負(fù)電壓的電荷泵電路，負(fù)壓電荷泵的工作原理如圖1所示。其基本原理與Dickson電荷泵是一致的，但是利用電容兩端電壓差不會跳變的特性，當(dāng)電路保持充、放電狀態(tài)時，電容兩端的電壓差將保持恒定。在這種情況下將原來的高電位端接地，就可得到負(fù)電壓的輸出。該電路實際上是一個由基準(zhǔn)、比較、轉(zhuǎn)換和控制電路組成的系統(tǒng)。具體而言，它由振蕩器、反相器及四個模擬開關(guān)組成，并外接兩個電容C1、C2從而構(gòu)成電荷泵電壓反轉(zhuǎn)電路。

圖1 負(fù)壓電荷泵的工作原理

振蕩器輸出的脈沖直接控制模擬開關(guān)S1及S2，此脈沖經(jīng)反相器反相后控制模擬開關(guān)S3及S4。當(dāng)模擬開關(guān)S1、S2閉合時，模擬開關(guān)S3、S4斷開;模擬開關(guān)S3、S4閉合時，模擬開關(guān)S1、S2斷開。

當(dāng)模擬開關(guān)S1、S2閉合，模擬開關(guān)S3、S4斷開時，輸入的正電壓+UIN向C1充電(上正下負(fù))，C1上的電壓為+UIN;當(dāng)模擬開關(guān)S3、S4閉合，模擬開關(guān)S1、S2斷開時，C1向C2放電(上正下負(fù))，C2上充的電壓為-UIN，即UOUT=-UIN。當(dāng)振蕩器以較高的頻率不斷控制模擬開關(guān)S1、S2及模擬開關(guān)S3、S4的閉合及斷開時，在輸出端可輸出變換后的負(fù)電壓(電壓轉(zhuǎn)換率可達(dá)99%左右)。

由如圖1所示的原理圖分析可知，當(dāng)時鐘信號為高電平時，模擬開關(guān)S1、S2同時導(dǎo)通，S3、S4同時關(guān)斷，UIN對電容C1進(jìn)行充電，Ucl+=UIN-Utp-Utn(Utp為開關(guān)S1的電壓降，Utn為開關(guān)S2的電壓降)，Ucl-=Utn;當(dāng)時鐘信號為低電平時，S1、S2關(guān)斷，S3、S4同時導(dǎo)通，C1上存儲的電荷通過S3、S4傳送到C2上，由于C2高電位端接地，故輸出端電壓為UOUT=-(UIN-Utp)。當(dāng)考慮負(fù)載后，由于負(fù)載會從電路中抽取電流IOUT，負(fù)載上具有-IOUT[(C+Csn+Csp)fosc]大小的壓降(Csn、Csp為開關(guān)極間電容)，輸出電壓為

式中，C1sn、C1sp為模擬開關(guān)S1，S2的開關(guān)電容;C2sn、C2sp，為模擬開關(guān)S3，S4的開關(guān)電容。

電荷泵使用電容儲存能量。隨著電荷泵電路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，它可應(yīng)用在需要大電流的電路中。一般電荷泵電路主要有“LINEAR”和“SKIP”兩種工作模式。

當(dāng)電荷泵工作在“LINEAR”模式下，可以獲得較低的輸出紋波;工作在“SKIP”模式下可以獲得較低的靜態(tài)電流。為描述方便，以下分析中的電荷泵的四個開關(guān)管均用NMOS代替，而實際電荷泵電路中的開關(guān)管既有PM0S又有NM0S。電荷泵簡單的工作過程可分為以下三個階段。

階段A(充電階段，S1和S2導(dǎo)通)：泵電容被UIN充電，C1(泵電容)兩端的平均壓差為UIN減去充電電流在S1和S2產(chǎn)生的壓降。

式中，Ucl為泵電容C1兩端的平均壓差;Rs1、Rs2為開關(guān)管S1，S2的開關(guān)電阻。

階段B(能量傳輸階段，S3和S4導(dǎo)通)：泵電容向負(fù)載電容放電，其兩極平均電壓為

階段C(等待階段，S1～S2均不導(dǎo)通)：沒有能量從UIN傳輸?shù)紺1和C2。Ucl=待狀態(tài)，C1兩端的電壓保持恒定，這意味著C1的電容量在階段A與階段B相等。

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當(dāng)用50%占空比的時鐘時，ΔtA=ΔtB=Δt(ΔtA，為階段A的時間，ΔtB為階段B的時間)，所以C1的平均充電電流就等于其平均放電電流，假設(shè)階段A和階段B的時間常數(shù)足夠大，則

并且

那么

開關(guān)S1～S2周期性通過階段A、B和C翻轉(zhuǎn)，能量就從電池UIN傳輸?shù)截?fù)載(UOUT)，能量轉(zhuǎn)換波形如圖2所示。在單個周期里，只有在階段B才對負(fù)載電容C2充電，在其余階段(階段A和C)，C2向負(fù)載放電。在死循環(huán)電路系統(tǒng)中，輸出電壓UOUT為穩(wěn)定值，這就要求電荷泵充電能量等于負(fù)載消耗的能量。所以在能量傳輸?shù)碾A段B，輸出電流Ip為

即

式中，ILOAD為電容的充電電流。

圖2 能量轉(zhuǎn)換波形