電荷泵基本原理

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電荷泵的基本原理是存儲電荷或電能，并按預先確定的速度和時間放電的器件。如果一個理想的以理想的電壓源進行充電，如圖1（a）所示，則電容將依據(jù)Dirac電流脈沖函數(shù)立即存儲電荷，如圖1（b）所示。存儲的總電荷數(shù)量按下式計算。實際的電容具有等效串聯(lián)阻抗（）和等效串聯(lián)（ESL），兩者都不會影響到電容存儲電能的能力。然而，它們對電容的整體轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。實際電容充電的等效電路如圖1（c）所示，其中Rs是的。ESL為實際的電容等效串聯(lián)，則在電容的充電電流路徑上具有串聯(lián)電感，通過適當?shù)钠骷季衷O(shè)計可以減小這個串聯(lián)電感。圖1 工作的基本原理圖如圖2（a）所示的電路一旦被加電，由

2、于電容的寄生效應限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉(zhuǎn)移時間，因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷泵就是利用了這種電容特性來工作的。圖2 電荷泵電路及其工作波形電壓變換在兩個階段內(nèi)得以實現(xiàn)。在第一個階段期間，開關(guān)S1和S2關(guān)閉，而開關(guān)S3和S4打開，電容充電到其值等于輸入電壓。在第二個階段，開關(guān)S3和s4關(guān)閉，而S1和S2打開。因為電容兩端的電壓降不能立即改變，輸出電壓則跳變到輸入電壓值的兩倍，即使用這種方法可以實現(xiàn)電壓的倍壓，通常開關(guān)信號的為50時，能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。圖2（b）中顯示了圖（a）電路實現(xiàn)電壓倍壓的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。如圖（a）所示電路在第

3、一階段時，充電電流會流入到C1中。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR及開關(guān)的。在C，充電后，充電電流呈指數(shù)級地降低。充電時間常數(shù)是開關(guān)周期的幾倍，更小的充電時間常數(shù)將導致峰值電流的增加。在這個時間內(nèi)，輸出電容CHOLD線性放電以提供負載電流。在第二階段，C1連接到輸出端，放電電流（電流大小與前面的充電電流相同）通過C1流到負載。在這個階段，輸出電容電流的變化大約為2IOUT。盡管這個電流變化應該能產(chǎn)生的輸出電壓變化為2IOUT×ESRCHOLD，但使用低ESR的使得這種變化可以忽略不計。此時，CHOLD線性地充電。當C1連接到輸入和地之間時，CHOLD線性地

4、放電?？偟妮敵黾y波峰-峰電壓值為 在更高的開關(guān)頻率時可以采用更小的輸出電容來獲得相同的紋波，電荷泵的寄生效應會導致輸出電壓隨著負載電流的增加而下降。事實上，總是存在2IOUT的電流流過C1和兩個開關(guān)導通電阻（RSW），導致產(chǎn)生的功耗為除了這些純粹的電阻損耗，電流IOUT流過開關(guān)電容C1的等效電阻時產(chǎn)生的功耗為流過CHOLD的電流等于IOUT，其產(chǎn)生的功耗為所有這些損耗可以用下面的等效輸出電阻進行匯總。這樣一來，電荷泵的輸出電壓為電荷泵的開關(guān)工作示意圖如圖3所示。同樣的，電壓轉(zhuǎn)換在兩個階段內(nèi)得以實現(xiàn)。在第一個階段，開關(guān)S1S3關(guān)閉，而開關(guān)S4S8打開。因此，C1和C2并聯(lián)，假設(shè)C1C2則充電到一

5、半的輸入電壓為圖3 電荷泵的開關(guān)工作示意圖輸出電容CHOLD提供負載電流，隨著輸出電容的放電，輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，并連接在UIN和UOUT之間。開關(guān)S4S7關(guān)閉，而S1S3和S8打開。因為電容兩端的電壓降并不能突變，故輸出電壓跳變到輸入電壓值的1.5倍；若關(guān)閉S8并保持S1S7打開，則電路工作在1倍性模式下。（1）2倍壓結(jié)構(gòu)2倍壓結(jié)構(gòu)，顧名思義也就是在輸出端的UOUT電壓為兩倍的輸入端電壓UIN，其所需要的器件為開關(guān)S1S4與電容CIN、COUT、MP，如圖4所示。而該電路的動作過程可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段（Transfer Phase）。圖4電荷泵的

6、2倍壓結(jié)構(gòu)充電階段：S1和S4閉合，S2和S3打開，此時輸入電壓（UIN）對MP充電，CPUMP兩端的電壓為UIN。轉(zhuǎn)移階段：S1和S4打開，S2和S3閉合，此時輸入電壓（UIN）與CPUMP串聯(lián)對COUT充電，如此在COUT端的輸出電壓即為兩倍的輸入電壓。（2）1.5倍壓結(jié)構(gòu)1.5倍壓結(jié)構(gòu)也就是在輸出端產(chǎn)生1.5倍的UIN電壓，其所需要的器件為開關(guān)S1S2與電容CIN，COT，CPUMP1，CPUMP2，如圖5所示，而電路動作過程同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。圖5 電荷泵的1.5倍壓結(jié)構(gòu)充電階段：S1、S4和S7閉合，S2、S3、S5和S6打開，此時輸入電壓（UIN）對CPUMP1和CPUM

7、P2充電，如此在電容兩端的電壓均分別為I2UIN。轉(zhuǎn)移階段：S1、S4和S7打開，S2、S3、S5和S6閉合，此時CPUMP1與CPUMP2，為并聯(lián)再與輸入電壓（UIN）串聯(lián)，然后對C。UT充電，如此在C。I T端的輸出電壓即為15倍壓的輸入電壓。使用7個可以實現(xiàn)輸出電壓為輸入電壓的1.5倍壓。實現(xiàn)輸出電壓為15倍輸入電壓的電荷泵電路，當其開關(guān)信號的占空比通常為50時，可產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。（3）負壓結(jié)構(gòu)負壓結(jié)構(gòu)也就是在輸出端的電壓COUT為負的UIN，其所需器件為開關(guān)S1S4與電容CIN、COUT、CPUMP1，而電路動作過程同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。充電階段：S1和S2閉合，S3和S4打開，此時輸入電壓（UIN）對CPUMP充電，如此在電容CPUMP兩端的電壓為（UIN)。轉(zhuǎn)移階段：S1和