負壓電荷泵的工作原理

由Dickson電荷泵理論可以推廣得到產(chǎn)生負電壓的電荷泵電路，負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(huì )跳變的特性，當電路保持充、放電狀態(tài)時(shí)，電容兩端的電壓差將保持恒定。在這種情況下將原來(lái)的高電位端接地，就可得到負電壓的輸出。該電路實(shí)際上是一個(gè)由基準、比較、轉換和控制電路組成的系統。具體而言，它由振蕩器、反相器及四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)組成，并外接兩個(gè)電容C1、C2從而構成電荷泵電壓反轉電路。

圖1 負壓電荷泵的工作原理

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

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

由如圖1所示的原理圖分析可知，當時(shí)鐘信號為高電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)S1、S2同時(shí)導通，S3、S4同時(shí)關(guān)斷，UIN對電容C1進(jìn)行充電，Ucl+=UIN-Utp-Utn(Utp為開(kāi)關(guān)S1的電壓降，Utn為開(kāi)關(guān)S2的電壓降)，Ucl-=Utn;當時(shí)鐘信號為低電平時(shí)，S1、S2關(guān)斷，S3、S4同時(shí)導通，C1上存儲的電荷通過(guò)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)。當考慮負載后，由于負載會(huì )從電路中抽取電流IOUT，負載上具有-IOUT[(C+Csn+Csp)fosc]大小的壓降(Csn、Csp為開(kāi)關(guān)極間電容)，輸出電壓為

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

電荷泵使用電容儲存能量。隨著(zhù)電荷泵電路結構的改進(jìn)，它可應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(gè)開(kāi)關(guān)管均用NMOS代替，而實(shí)際電荷泵電路中的開(kāi)關(guān)管既有PM0S又有NM0S。電荷泵簡(jiǎn)單的工作過(guò)程可分為以下三個(gè)階段。

階段A(充電階段，S1和S2導通)：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(kāi)關(guān)管S1，S2的開(kāi)關(guān)電阻。

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

階段C(等待階段，S1～S2均不導通)：沒(méi)有能量從UIN傳輸到C1和C2。Ucl=待狀態(tài)，C1兩端的電壓保持恒定，這意味著(zhù)C1的電容量在階段A與階段B相等。