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DC-DC 电荷泵电路图的设计 1 1 11引言 电源是电子设备的心脏部分，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性。随着电子技术的不断发 展，功耗、体积及转换效率等要求的不断提高，开关电容技术在电源中得到了越来越广泛的应用。 开关电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必须的，也是减小体积的重 要途径。电器产品的体积重量与其供电频率的平方根成反比，所以当把频率从工频50Hz 提高到 20kHz 时，用电设备的体积重量大体上降至工频设计的（5～10）％。由于功率MOS 管具有快 速开启、关断的特点，满足高速开关动作的需求，这正是开关电源实现变频带来明显效益的基本 原因。单片开关电源采用电荷泵技术通过功率MOS管控制电容的充放电来实现电压的转换，从 而极大地缩小了电源体积，提高了转换效率，具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性 能指标等优点，一般说来其重量是线形电源的1/4，体积是其1/3。本文从电荷泵的基本原理[1] 出发，设计开发了一种负电压电荷泵，详细分析了它的工作原理，并在基本模型的基础上针对开 关速度以及功耗和转换率等方面提出了一定的改进。 2 Dickson 2 Dickson 22DDiicckkssoonn电荷泵基本原理 最早的理想电荷泵模型是J. Dickson在1976年提出的，其基本思想就是通过电容对电荷的积累 效应而产生高压使电流由低电势流向高电势，当时这种电路是为了提供可擦写 EPROM所需要 的电压。后来J. Witters, Toru Tranzawa等人对J. Dickson 的电荷泵模型进行改进，提出了比 较精确的理论模型，并通过实验加以证实提出了一些理论公式。随着集成电路的不断发展，基于 低功耗、低成本的考虑，电荷泵在集成电路中的应用越来越广泛了。图1为简单的倍（multiplier charge pump）开关电源的基本原理图[1]。 图1 四阶Dickson电荷泵原理图 当f 为低电频时，MD1管导通，Vin 对与结点1相连的电容进行充电，直到结点1的电压为Vin-Vtn； 当f 为高电频时，结点1的电压变为Vf+Vin-Vtn，此时MD2导通，对与结点2相连的电容进行充 电，直至结点2的电压变为Vf+Vin-2Vtn；f再度变为低电频，结点2上电压为2Vf+Vin -2Vtn；如 此循环，直到完成四级电容的充放电，可以推得输出电压： Vout=Vin+4 (Vf-Vtn)-Vtn 由此可以得到对于N级倍压电荷泵的电压增益为： Vout=Vin+N(Vf-Vtn)-Vtn (1) 但在实际电路中由于Vf受到开关管寄生电容Cs的影响，其真实值应为 Vf=(C/(C+Cs))×Vf (2) 将(2)式代入(1)式可得 Vout=Vin+N((C/(C+Cs))×Vf-Vtn)-Vtn (3) 当考虑负载后，由于负载会从电路中抽取电流Iout，负载上具有NIout/((C+Cs)fosc)大小的压降， 代入(3)式得到输出电压 Vout=Vin+N((C/(C+Cs))×Vf -Iout/((C+Cs)fosc-Vtn))-Vtn (4) 对于Dickson型电荷泵，单级电压增益 Gv=VN-VN-1=( C / ( C + Cs ) )×Vf - Iout / (( C + Cs ) fosc)- Vtn Dickson 倍压电荷泵需要满足很重要的一个条件就是 （C/(C+Cs)）×Vf-Vtn-Iout/((C+Cs)fosc)＞0 由于该式与N无关，故而从理论上来说，电压可以通过倍压泵放大从而得到理想的电压值。