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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
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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。
(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%。
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