电荷泵的基本原理

时间：2013-02-26 11:26:09

关键字：电荷泵 CPU 输出电压 UI

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[导读] 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，

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

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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。

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(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(Transfer Phase)。

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。I T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。