电荷泵基本原理

电荷泵的基本原理电容是存储电荷或电能，并按预先确定的速度和时间放电的器件。如果一个理想的电容以理想的电压源％进行充电，如图1（a）所示，则电容将依据Dirac电流脉冲函数立即存储电荷，如图1（b）所示。存储的｀总电荷数量按下式计算。实际的电容具有等效串联阻抗（ESR）和等效串联电感（ESL），两者都不会影响到电容存储电能的能力。然而，它们对开关电容电压变换器的整体转换效率有很大的影响。实际电容充电的等效电路如图1（c）所示，其中Rs．是开关的电阻。ESL为实际的电容等效串联电感，则在电容的充电电流路径上具有串联电感，通过适当的器件布局设计可以减小这个串联电感。图1电荷泵工作的基本原理图如图2（a）所示的电路一旦被加电，由于电容的寄生效应限制了峰值充电电流，并增加了电荷转移时间，因此电容的电荷累积不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变化为零。电荷泵就是利用了这种电容特性来工作的。图2电荷泵电路及其工作波形电压变换在两个阶段内得以实现。在第一个阶段期间，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容充电到其值等于输入电压。在第二个阶段，开关S3和s4关闭，而S1和S2打开。因为电容两端的电压降不能立即改变，输出电压则跳变到输入电压值的两倍，即使用这种方法可以实现电压的倍压，通常开关信号的占空比为50％时，能产生最佳的电荷转移效率。图2（b）中显示了图（a）电路实现电压倍压的稳态电流和电压波形。如图（a）所示电路在第一阶段时，充电电流会流入到C1中。该充电电流的初始值决定于电容C1两端的初始电压、C1的ESR及开关的电阻。在C，充电后，充电电流呈指数级地降低。充电时间常数是开关周期的几倍，更小的充电时间常数将导致峰值电流的增加。在这个时间内，输出电容CHOLD线性放电以提供负载电流。在第二阶段，C1＋连接到输出端，放电电流（电流大小与前面的充电电流相同）通过C1流到负载。在这个阶段，输出电容电流的变化大约为2IOUT。尽管这个电流变化应该能产生的输出电压变化为2IOUT×ESRCHOLD，但使用低ESR的陶瓷电容使得这种变化可以忽略不计。此时，CHOLD线性地充电。当C1连接到输入和地之间时，CHOLD线性地放电。总的输出纹波峰-峰电压值为在更高的开关频率时可以采用更小的输出电容来获得相同的纹波，电荷泵的寄生效应会导致输出电压随着负载电流的增加而下降。事实上，总是存在2IOUT的电流流过C1和两个开关导通电阻（RSW），导致产生的功耗为除了这些纯粹的电阻损耗，电流IOUT流过开关电容C1的等效电阻时产生的功耗为流过CHOLD的电流等于IOUT，其产生的功耗为所有这些损耗可以用下面的等效输出电阻进行汇总。这样一来，电荷泵的输出电压为电荷泵的开关工作示意图如图3所示。同样的，电压转换在两个阶段内得以实现。在第一个阶段，开关S1～S3关闭，而开关S4～S8打开。因此，C1和C2并联，假设C1＝C2则充电到一半的输入电压为图3电荷泵的开关工作示意图输出电容CHOLD提供负载电流，随着输出电容的放电，输出电压降低到期望的输出电压以下。在第二阶段，C1和C2并联，并连接在UIN和UOUT之间。开关S4～S7关闭，而S1～S3和S8打开。因为电容两端的电压降并不能突变，故输出电压跳变到输入电压值的1.5倍；若关闭S8并保持S1～S7打开，则电路工作在1倍压线性模式下。（1）2倍压结构2倍压结构，顾名思义也就是在输出端的UOUT电压为两倍的输入端电压UIN，其所需要的器件为开关S1～S4与电容CIN、COUT、CPUMP，如图4所示。而该电路的动作过程可分为充电阶段与转移阶段（TransferPhase）。图4电荷泵的2倍压结构充电阶段：S1和S4闭合，S2和S3打开，此时输入电压（UIN）对CPUMP充电，CPUMP两端的电压为UIN。转移阶段：S1和S4打开，S2和S3闭合，此时输入电压（UIN）与CPUMP串联对COUT充电，如此在COUT端的输出电压即为两倍的输入电压。（2）1.5倍压结构1.5倍压结构也就是在输出端产生1.5倍的UIN电压，其所需要的器件为开关S1～S2与电容CIN，COT，CPUMP1，CPUMP2，如图5所示，而电路动作过程同样可分为充电阶段与转移阶段。图5电荷泵的1.5倍压结构充电阶段：S1、S4和S7闭合，S2、S3、S5和S6打开，此时输入电压（UIN）对CPUMP1和CPUMP2充电，如此在电容两端的电压均分别为I／2UIN。转移阶段：S1、S4和S7打开，S2、S3、S5和S6闭合，此时CPUMP1与CPUMP2，为并联再与输入电压（UIN）串联，然后对C。UT充电，如此在C。IT端的输出电压即为1．5倍压的输入电压。使用7个切换开关可以实现输出电压为输入电压的1.5倍压。实现输出电压为1．5倍输入电压的电荷泵电路，当其开关信号的占空比通常为50％时，可产生最佳的电荷转移效率。（3）负压结构负压结构也就是在输出端的电压COUT为负的UIN，其所需器件为开关S1～S4与电容CIN、COUT、CPUMP1，而电路动作过程同样可分为充电阶段与转移阶段。充电阶段：S1和S2闭合，S3和S4打开，此时输入电压（UIN）对CPUMP充电，如此在电容CPUMP两端的电压为（UIN)。转移阶段：S1和S2打开，S3和S4闭合，此时CPUMP对COUT充电，在COUT端的输出电压即为负的输入电压，而输入端对输出端而言即可获得两倍的电压差。使用这种方法可以实现输出电压为负的输入电压，开关信号的占空比通常为50％。