使用電荷泵驅(qū)動(dòng)電路-第 2 部分

在本系列的第一篇引人入勝的文章中，我定性地解釋了電荷泵的工作原理——同時(shí)巧妙地省略了任何數(shù)字。但是數(shù)字是最終的意義所在，在我們知道要使用哪些組件之前，我們無法正確設(shè)計(jì)任何東西。在本期中，我將解釋外部組件對性能的影響。

圖 1 顯示了一個(gè)未穩(wěn)壓的電荷泵，它以 0.5 的占空比工作，其輸出電壓標(biāo)稱是輸入電壓的兩倍。實(shí)際上，電荷泵的輸出電壓小于 2V I，由公式 1 給出：

其中 I O是輸出電流，R O是輸出電阻。

圖 1 – 非穩(wěn)壓電荷泵

只要飛跨電容足夠大，輸出電阻 R O僅取決于晶體管 Q1 至 Q4 的 r DS(on)。如果我們進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算（坦率地說，我不推薦它），我們最終會(huì)得到輸出電阻的公式 2：

其中 f 是開關(guān)頻率；C是飛電容；R 是充電和放電路徑的電阻，假設(shè)它們都相等。（如果 Q1 和 Q2 相同，Q3 和 Q4 相同，則 R = r DS(on)(Q1) + r DS(on)(Q4)。）

 這是數(shù)學(xué)上的說法，它看起來幾乎像兩條直線，如圖 2 所示。

圖 2 中的曲線是理解電荷泵工作的關(guān)鍵。它告訴你的是，如果 C 大于某個(gè)臨界值，它對輸出阻抗幾乎沒有影響。這個(gè)臨界值出現(xiàn)在. 實(shí)際上，當(dāng) 時(shí)，輸出阻抗是最小值的 1.3 倍 ，但就像直線近似是波德圖中有用的簡化一樣，只需確保飛電容大于 就更容易了。

圖 2 – 圖 1 的輸出阻抗

更多的數(shù)學(xué)練習(xí)表明，對于較大的飛跨電容值，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間電荷泵中的峰值電流等于輸出電流的兩倍。在啟動(dòng)過程中，當(dāng)飛跨電容從 0 V 充電到 ≈V I時(shí)，峰值電流會(huì)明顯更高。精心設(shè)計(jì)的電荷泵會(huì)在啟動(dòng)期間逐漸增加 FET 開關(guān)的柵極-源極電壓，從而起到軟啟動(dòng)的作用并限制峰值電流。

公式 3 計(jì)算輸出電壓紋波：

C O是輸出電容。

不要忘記陶瓷電容器會(huì)表現(xiàn)出直流偏置效應(yīng)，這意味著電路中的有效電容通常遠(yuǎn)小于標(biāo)稱值。仔細(xì)檢查 V I處的有效電容是否為飛跨電容，V O是否為輸出電容。

在穩(wěn)壓電荷泵中，可調(diào)電流源（或用于反相電荷泵的灌電流）通?？刂戚敵鲭妷?，如圖 3 所示。

圖 3 – 全集成穩(wěn)壓電荷泵的等效電路

 由于該電路只有三個(gè)開關(guān)，所以當(dāng) C 很大時(shí)，輸出阻抗會(huì)趨于上升。然而，由于電流源 I DRV需要一定的最小電壓 V DROP才能正常工作，因此圖 3 中電路的最大輸出電壓（假設(shè) C 大于臨界值）由下式給出等式 4：

只要輸出電壓小于這個(gè)最大值，電荷泵的調(diào)節(jié)回路就會(huì)將輸出阻抗降低到一個(gè)很小的值，實(shí)際上它對輸出電壓幾乎沒有影響。

請注意，如果電荷泵將二極管用于任何開關(guān)或占空比不是 0.5，則結(jié)果會(huì)略有不同（盡管形狀仍然相同）。我將在下一部分中介紹這些結(jié)果。