电荷泵原理及应用(编辑修改稿)

电荷泵原理及应用(编辑修改稿)内容摘要：

减小这个串联电感。 一旦电路被加电，将产生指数特性的瞬态条件，直到达到一个稳态条件为止。 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 [8]。 电荷泵就是利用电容的这种特性进行工作的，如图 3(a)所示。 电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。 在第一个阶段，开关 S1和 S2关闭，而开关 S3和 S4打开，电容 C1充电到输入电压： INCCC UUUU   111 在第二阶段，开关 S3和 S4关闭，而 S1和 S2打开。 因为电容 C1两端的电压降不能立即改变，输出电压跳变为输入电压的两倍。 INO U TININO U TCCC UUUUUUUU 2111   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 3(b)中显示了开关电容的倍压器的稳态电流和电压波形。 根据功率守恒原理，平均输入电流是输出电流的两倍。 在第一阶段，充电电流流入 C1。 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 以及开关的电阻。 在 C1充电后，充电电流呈现指数级地降低。 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增加。 在这个时间内，输出电容 CO线性放电以提供负载电流 [8]。 在第二阶段， C1 的正端连接到输出端，放电电流（电流大小与前面的充电电流相同）通过 C1流向负载。 在这个阶段，输出电容电流的变化大约为 2IO。 尽管这个电流变化应该能产生输出电压变化为 Coo ESRI 2 ，使用低 ESR 的陶瓷电容使得这种变化可 以忽略不计。 (a)电荷泵电路 (b)相关波形 图 3 电荷泵工作基本原理图 [8] 此时， CO线性地充电。 当 C1连接到输入端和地之间时， CO线性地放电。 总的输出纹波峰峰电压值为： 对于更高的开关频率，可以采用更小的输出电容来获得相同的纹波，电荷泵的寄生效应导致输出电压随着负载电流的增大而下降。 事实上，总是存在大小为 2Io 的电流通过 C1和两个开关的导通电阻（ 2RSW），导致产生的功耗为 [6]： )48()2()2( 1212 CSWoCSWoSW ES RRIES RRIP  除了这些纯粹的电阻损耗，电流 IO流过开关电容 C1的等效电阻产生的功耗为： CO的 RMS 电流等于 IOUT，导致产生的功耗为： CoooESR ES RICP  2 所有这些损耗可以用下面的等效电阻进行汇总： 这样一来，电荷泵的输出电压为： ooINo RIUU  2 因为陶瓷电容具有低的 ESR 值以及高的开关频率，输出纹波以及输出电压降取决于开关电阻。 利用更多的开关和电容可以实现附加的电压转换。 图 4 为电荷泵开关工作示意图。 同样，电压转换在两个阶段内实现。 在第一阶段，开关 S1~S3关闭，而12121 1CoCoC fIRIP CoCCSWo E S RfE S RRR  11 148ooRIPPLE fCIU 2 开关 S4~S8打开。 因此， C1和 C2并联。 假设 C1等于 C2，则充电到一半的输入电压。 图 4 电荷泵开关工作电路图 [。