电荷泵电路的电压调节结构及工作原理.pdf

毛哥成考 元器件与篇成心路尝 研发与应用 尺‘ 电荷泵电路的电压 调节结构及工作原理 易目 敏 包 汤 包墩包 户 北京航空航天大学 〕方佩敏 动的 曰阴扮们 匕 ’ 刀认抽 , 司 厂白门 泊,” 摘 要 德压偷出的电待泵电路是一种街型阳变换器 介绍了其电压调节结构及工作原理 关镇词 电待泵电路 泵电容模式跳变 间歇振荡模式升压式变换率降压式变换率 八七扮 自尺 心 护左仍不, 口 , ‘ 合习百 ￡口 用 “门打匕月 咤斌护即们价勺 即 叮 仍 ‘ 由厂 · 旧加言‘拓归刁匕钾” 门,日招七月 旧 近年来 , 利用电荷泵电路可升压 、 降压的功能 , 结合巧妙的电压调节电路 开发出一种新型的变换器 , 它就 是正稳压输出的电荷泵集成电路 它的 特点是 , 比 有更高的效率高 黔 电路比有电感器的变 换器简单外围元件仅 一 个小尺寸贴 片式陶瓷电容 , 占印制板的空间极小 静态电流小 , 一般在 林 以上 , 一些 超低功耗型仅几十或十几 林 输出噪 声低有固定电压输出及用户可设定输 出电压 , 输出电流枷有升压式 , 降压式及升降压式 由于有以上特点 , 这类变换 器非常适用于小巧型便携式电子产品 , 如 、 手持式计算机 、 医疗仪器等 。

电荷泵的基本结构 电荷泵电路是由振荡器 、 多个模拟 开关或模拟开关阵列 、 控制电路 、 外 接泵电容及输出电容 等组成 , 如图 一 所示 振荡器输出占空比的方波脉 冲 , 它直接控制模拟开关 , 通 、 断高 电平时通 、 低电平时断方波通过反相 器控制开关通断 , 、 的通断总是 相反的 , 通时断 , 断时 , 通 电荷从 , 泵人 , 再向泵出 , 所以 这种电路称为电荷泵电路 , 而 、则称为 泵电容 不同的变换率 电荷泵电路可组成升压式 , 或降压式四 、、 结构 但为了较宽 输人电压时有最佳的转换效率及满足不 同负载电流的需要 , 有不同的变换率 例如 , 在升压式中 , 有 丁】 、 及 工、 的结构 在降压式中有 , , 、 哪 二 ,、的结构 这里 以 二,、 倍压式及 二 为例 说明其结构及工作原理 振振振振振振 荡荡荡荡 器器器器器器 如图 一 的时刻 , , 通 、 断 · 输入电 压 、 向 , 充电 , 如图 一 所示 当振 荡器输出低电平时 , 、断、 通 , , 向 放电 , 如 一 所示 当振荡器以 高频工作 , 使 、 不断通 、 断 , 通过 , 不断充电 、 放电 , 电荷不断地从 , 端 传输到 , 端 , 其结果是 二 , · , 特 生 厂厂二下一一一下 一 尸尸 呼呼 、向 充电 , 、 图 嚷 罗 , 。

俨 , 毛哥成璧 元器件与集成电路卷 厂一 — 一 一 一 二 在另一半周 , 如图所示 , 形成 与 并联的结构 由于 丁, 向 放电 当开关不 断交替动作 , ,少 土下土 砂向 盯充电 , 二 图 么 喻喻的电荷泵电路 比聊 的电荷泵电路结构简图如 图 所示 在图 中的时刻 , 在下 , 在上 , 州 通过 、 向 , 充电 , 如虚线 所示 , , 的容量较小 , , 在振荡器 另一半周时 , 如图所示 , 则叠加 向充电 当开关高频上下变动时 , 则输出电压 、 行 喻的电荷泵电路 比喇 比率的结构如图 所示 如图的 时刻 , 通过 、、 、 向串联的 、 充电 由于的容量小于 , 所示 , 电压调节电路的结构 尽管现在的电荷泵电路中的开关导 通电阻做行较小 , 电容的 也较小 , 但电荷泵电路并不稳压约有 的内阻 为了使输出电压稳 定 , 需要在电荷泵电路加上路后 , 其内 阻约 , 其输出电压精度可达 最简单的方案是在电荷泵电路后增加一 个低压差线性稳压电路 , 它有较 低的噪声电压输出 , 可组成低度噪声器 件噪声电压为 协 瑞 , 但其效率较 低 , 主 要应用于输出 电流较小 对噪声敏感的电路中如手 机中的 。

电路 有的电路如图所示 图中 是电荷泵输出未经稳压的电压 , 为经 调节的稳压输出电压 输出电压 经 、 分压输入误差放大器 , 与基 准电压比较后输出电压去控制沟 道 的内阻 , 使在不同的负载电流 时保持二 的稳定 采用来调节电压是在电荷泵电 路之后进行调节 , 近年来开发出输出反 馈经误差放大器后来控制电荷泵内部有 关个数实现调节的方法 , 如图所示 输 出电压 经分压器电阻 、 分压后输人误差放大器 , 它有 三种方案控制 电荷泵充电 回路的电阻 值 , 改变其时间常数 图 中的 控制 电荷泵结构的变换比率图中的 控 制振荡器工作状态图中的 一丁土 、 控制电荷泵充电回路的电阻陈 充电回路中可设一个可变电阻 , 改变值可改变充电回路的时间常数 , 如图所示 在开关导通的时 间 内 , 不同的时间常数其泵电容上的 电压不同 , 也可以说泵入的电荷数量 不同 根据不同的负载电流 , 通过输出 反馈及误差放大器控制 , 以改变其时间 常数满足输出电流的需求达到输出电压 稳定的目的 , 实际上用来实现可 变电阻 , 如图所示 这种方案可以实现在负载很轻及负 载很重时的调节作用 , 并且可使振荡恒 定频率工作噪声小 , 但结构上要增加 一个 。

另一种方案就利用开关 作为可变 电阴 , 即改变其 电压 、 改变其导通电 阻 , 则更为简单 其结构示意图 如图所示 充电 等效电 图 粉感井 万市 了 盯 〔 、 控制振腐器的工作状态 改变振荡器的振荡频率可以改变泵 电容传输电荷的数量 , 也可实现不同负 载电流时的输出电压稳定 这也就是负 载秀 时增加频率 , 而负载轻时减小频 率 , 这就是脉冲频率调 通过误 差放大器控制压控振荡器或变换等 电路实现 控制 图 下犷 尹 才 魂 哥成于 元器俘 与奖成电 趋 叁 厂 , , 归 , 户, , ‘‘,‘, ,‘ 户 误差放大器 工 日’ 振振振振振振 荡荡荡荡 器器器器器器 抓抓食针针针针针针针针针针针针针针针针 模模模式式式电电电电 控控控制制制荷荷荷 电电电路路路泵泵泵泵 电电电电电电电 路路路路路路路 卜卜卜叫 叫 个月 月月 工工 豁豁豁 心心 振振振 七 — 一一一 荡荡荡荡 一 器器器器器器 一 ﹄ 二二习不二斗六卜 拉 撇华半日串姨蜡 万万万 下 一振荡器周期 振荡器工作 振荡器不工作 图 几 士 另外 , 在轻载或无输出时 , 也有采用 间歇振荡的控制方式 , 即若输出电压 在轻载时使 丁升高, 通过误差放大器或 电电荷泵电路路 振振荡器器 比较器可使振荡器停振 , 迫使输出电压下降 , 当输出 电压下降到一定值时 , 振荡 器又开始工作 , 如图所 示 。

其中是振荡器工作时 间 , 是停振时间 这种控制方式使振荡 器间歇工作 , 较省电 , 但噪 声稍大 「一 一 一 一 一 一 一 一 一 、 控制电荷泵结构的变换 比率 图 为一种降压式电 荷泵电路的部分结构简图 仅画出 一 电压调节有关 部分 该器件根据的 大小 , 使电荷泵电路有三 种变换率 未 调节的电荷泵输出电压 , 而调节后输出 电压为 · 这样可获得最佳较换效率 图中 、 探测 、 及 , 输出不同逻 辑电平输人模式控制电路 , 使电荷泵按 不同的输人采用不同的比率的结构工作 但是模式控制 电路也受输出电压的变化 控制 例如 , 输人电压信时 即 、 时 , 、 使电荷磁工作于 的 模式 即 、 若在重负载时 , 使 输出电压下降到接近闭值电压时 , 甲 起作用 , 控制模式控制电路使模式 变换成模式 即或 模式 , 这样输出电压增加 , 可满足输出 电压稳定 若负载电流变小 , 则 、 又 控制模式控制 电路 , 使回复到模式 当输出电流甚小 如 以 , 则 ‘ 可 控制振荡器作间歇振荡 , 使轻载时输出 电压不致升高而超差 采用上述几种电压调节方法 , 输出 电压在额定负载电流范围 , 其精度为 十 。

采用 比率变换的方法 , 会在变换时 使有约 的变化 · 一一 了 尹 , 。