负电压电荷泵的改进

　　在图1中，S1，S2，S3，S4采用的是功率MOSFET器件。功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点。由于功率MOSFET是单极性多子导电，故显著地减小了开关时间。决定MOSFET开关速度的因素有开关电容的导通电阻和充、放电电流的大小，故为了获得较高的采样速度需要采用大尺寸的功率MOSFET和较小值的电容。然而栅极的驱动速度在很大程度上也决定了功率MOSFET的开关速度，这就需要提供具有高速驱动能力的电路来满足这一要求。为了减小开关时间，可对MOSFET的驱动电路进行一定的改进。在实际应用中，功率MOSFET的输出级还要带负载，因此影响开关速度的大小的不光有驱动速度的问题，还有输出负载大小的问题。

　　图1 电容式电荷泵的内部结构

　　功率MOSFET的等效电路如图2所示，输入电容CIN＝CGS＋CGD输出电容COUT＝CDS＋CGD，开关管的开通延迟时间为
　　上升时间为

　　式中，A为与UDS、UGS相关的系数；UGG为功率MOSFET栅极（直流）电源电压；Ciss为功率MOSFET的栅极短路共源输入电容。

　　整个开通时间为

　　由于Ron＝UGS／IOM，Ron为开关管的导通电阻，IOM为功率MOSFET的最大输出电流，代入式（1-56）可得

　　由式（1-57）可知，开关的导通速度与通过开关电流的大小成正比，电流越大，ton越小，开关的速度越快。为提高MOSFET管的驱动速度，驱动电路应满足以下要求。

　　①能够提供足够大的驱动电流，即驱动电路的充电电阻要充分小，以缩短导通时间。

　　②具有足够的泄流能力，即放电电阻要充分小，以提高开关管的关断速度。
　　根据以上要求，考虑到三极管导通电阻小的特点，并且由于互补对管可消除少数载流子存储时间的影响，从而可以达到很高的驱动速度，因此可采用互补对称型射极输出器来驱动功率MOSFET，如图3所示。

　　图2 功率MOSFET极间电容等效电路

　　图3互补跟随电路

　　该驱动电路利用VT4、R2、R2组成模拟电压源，以产生正向偏压，并使其值等于或稍大于导通电压，只要有信号输入，VT1、VT2即可轮流导通，这可克服互补对称管必然存在的交越失真现象。通过调整R1与R2的比值可以调整偏压值的大小。

　　为了提高MOSFET的开关速度，应根据电容两端电压与时间的关系确定最小时钟周期，以减小功耗，提高转换效率。最小时钟频率确定的原则是：既要保证电容充、放电完全，又要尽量使用高频时钟，以减小电路功耗、提高转换效率。

　　为了避免电容在没有完全充、放电时即进人相对工作状态，会对导通时间的准确性及对开关管性能造成影响，可采用非交叠时钟信号。非交叠时钟发生器的原理图如图4所示，ClK为原始的时钟信号，Φ1和Φ2为相位相反的非交叠时钟信号。

　　图4 非交叠时钟发生器的原理图