电荷泵设计指南
电荷泵设计原理及在电路中的作用
1、电荷泵原理电荷泵的基本原理是，电容的充电和放电采用不同的连接方式，如并联充电、串联放电，串联充电、并联放电等，实现升压、降压、负压等电压转换功能。
上图为二倍升压电荷示，为最简单的电荷泵电路。
V2输出为方波信号，当V2为低电平的时候，V1通过D1、C1、V2对电容C2充电，C2两端电压上正下负;当V2为高电平输出的时候，V2输出电压与C1两端电压相叠加，通过D3对负载供电并对C2充电。
如果忽略二极管压降，则C2两端电压Vo=V2+V1，其中V2为电压源V2的高电平输出电压。
由于电荷泵整个工作过程的核心部分为电容充放电过程，所以最重要的公式为电容充放电公式：I*T=ΔV*C，其中T为电容充放电周期，ΔV为每个充放电周期内电容两端电压波动，I为充放电电流。
电荷泵以非常简单的电路可以实现升压、降压、负压等功能，所以各种不同的场合为电路扩展小功率电路。
2、电荷泵在电路中的作用1.功率电路中的电荷泵电荷泵的一个非常广泛的用途就是在由N沟道MOSFET构成的半桥电路中为上桥臂提供浮驱电压。
典型接法如下图所示，图中红框内的二极管D及电容Cboot与主电路中半桥的下桥臂T1构成电荷泵。
当半桥的下臂T1开通时，Vcc 通过D与T1为电容Cboot充电;当T1关断T2导通时，Cboot为上臂T2提供MOSFET导通所必需的Vgs电压。
这是由于T2在电路中的位置所决定的，当T2导通时，如果忽略导通压降Vds，T2的源极电压Vs=Vr，所以如果想要饱和导通，加上T2门极上的驱动电压需满足Vg=Vr+Vgs，对于功率型N沟道MOSFET而言，Vgs通常需要15V左右。
电荷泵以很少的元器件满足了这一设计要求，所以在此类应用中得到广泛应用。
虽然上图中所述的自举型电荷泵（采用半桥的下臂作为电荷泵的一部分）使电路设计变得非常简单，但实际使用过程中有些限制，如对桥臂的开通时序和占空比有限制等。
所以，在某些要求比较高的应用场合，采用他驱型的电荷泵，即将电荷泵电路及驱动波形与主功率电路分离，采用外部电路构成电荷泵。
快速稳定的cmos电荷泵电路的设计_概述说明
快速稳定的cmos电荷泵电路的设计概述说明1. 引言1.1 概述CMOS电荷泵电路作为现代电子设备中广泛应用的关键组成部分之一，可以实现电荷的积累和转移，从而达到升压、降压或者反相等功能。
它具有体积小、功耗低、响应速度快等特点，在数字和模拟电路领域得到了广泛的应用。
本文旨在设计一种快速稳定的CMOS电荷泵电路，通过优化设计方法，提高频率特性以及增加稳定性，能够在高效率和低功耗的情况下工作。
对于CMOS电荷泵电路的设计原理进行深入剖析，并提出一种可行且有效的设计方法，通过实验验证其性能并进行结果分析与讨论。
1.2 文章结构本文共包含五个主要部分。
引言部分对文章进行了总体概述；第二部分介绍了CMOS电荷泵电路的设计原理，包括其概述、基本原理及工作方式以及需要考虑的因素；第三部分详细说明了快速稳定的CMOS电荷泵电路设计方法，主要包括高频特性提升技术、增加稳定性的方法和优化功耗和效率的措施；第四部分介绍了实验结果与讨论，包括设计方案介绍、实验条件与参数设置以及结果分析与讨论；最后一部分是结论与展望，对本文的主要研究结果进行总结，并展望未来的研究方向。
1.3 目的本文的目的在于提供一种快速稳定的CMOS电荷泵电路设计方法，以满足现代电子设备对升压、降压或反相等功能的需求。
通过研究CMOS电荷泵电路的设计原理和需要考虑的因素，提出有效的设计方法，尽可能提高其工作频率、稳定性并降低功耗。
通过实验验证和结果分析，评估所提出方法的性能优劣，并为进一步研究提供参考。
最终旨在推动CMOS电荷泵技术在电子设备领域的应用和发展。
2. CMOS电荷泵电路的设计原理：2.1 CMOS电荷泵概述：CMOS电荷泵是一种常见的直流-直流（DC-DC）转换器，在集成电路中广泛应用于电源管理等领域。
它通过周期性切换的方式实现了高压与低压之间的转换。
CMOS电荷泵由一系列开关和电容组成，可以产生所需倍数的输入电压。
2.2 基本原理及工作方式：CMOS电荷泵的基本原理是利用开关将电容器中的电荷转移到输出端，并通过串联或并联连接多个级联以实现所需输出电压。
【精品】CMOS电荷泵的电路设计
Vref端输入将变大的一个信号，CLK和CLK’就是I10-ZN和I9-
ZN端的两个反相时钟信号，当B为低电频视作为0，D为高电频 的时候，从Vref端输入的信号进过M1，AB两端的电压差就是 Vref+Vth，经过M2时，CD两端的电压差为Vref+Vth+CLK，此 时D端电压为1.8V，电容不能突变电压，所以仍然存在电势差， 所以B点电压就是Vref+Vth+1.8，以此类推一直经过M6，Mf1 和Mf2可以看作一个低通滤波器，把交流信号变成直流信号， 最后从Bias端输出放大信号。
谢谢各位老师指导！
从I10-ZN和I9-ZN两个输入端输入上节中环形振荡器得出的两 个反相振荡周期信号，根据上章定义的A门的一个输入端为Rd 端，低电平有效，此时 Sd端应为高电平。B门的一个输入端为 Sd端，此时 Rd端应为高电平。又因为上升沿输出反转，下升 沿输出无影响，所以每次I10-ZN端的电平在上升，I9-ZN端的 电平在下降的时候，输出端I1-ZN和I2-ZN会完成一次变化，所 以就能得出两个占空比为百分之五十的反相时钟信号。
五总结与展望
本文介绍了一种电荷泵电路在500KHZ条件 下把最初的输入电压通过振荡器产生两个 反相的周期信号，再由RS触发器把占空比 变为百分之五十，最后由电荷泵把输出的 1.3V放大到12.2V，实践证明这一电路是很 有使用价值的。
80 年代末90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以 ICL7660为基础开发出一些改进型产品，如MAXIM 公司的 MAX1044、Telcom 公司的TC1044S、TC7660 和LTC 公司的 LTC1044/7660等。这些改进型器件功能与ICL7660相同，性能 上有改进，管脚排列与ICL7660完全相同，可以互换。 这一 类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频 率低，使外接电容容量大；静态电流大。 随着半导体工艺技 术的进步与便携式电子产品的迅猛发展，各半导体器件公司 开发出各种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性 能方面都有较大改进，并开发出一些专用的电荷泵变换器。 它们的特点可归纳为： 1. 提高输出电流及降低输出电阻 2减小功耗 3扩大输入电压范围 4. 减少占印板的面积 5. 输出负电压可设定（调整） 6. 两种新型的四倍压器件
反相电荷泵电路设计
反相电荷泵电路设计一、电路结构反相电荷泵（Inverting Charge Pump）电路主要由以下几个部分组成：输入缓冲、反相器、电荷泵、输出缓冲以及电源管理电路。
输入缓冲和反相器用于处理输入信号，电荷泵用于产生增压或降压，输出缓冲用于驱动输出负载，电源管理电路用于控制和调节电荷泵的工作状态。
二、电压增益电压增益是反相电荷泵的一个重要参数，它决定了电路的放大能力。
电压增益主要取决于反相器的性能和电荷泵的配置。
理想情况下，反相电荷泵的电压增益应为-1倍，但实际应用中可能会受到其他因素的影响，如电源电压、输出阻抗等。
三、电源电压电源电压是反相电荷泵正常工作的必要条件。
电源电压的大小直接影响电荷泵的工作效率和稳定性。
一般来说，较高的电源电压可以提供更大的输出电压范围和更稳定的电路性能，但同时也可能增加功耗和发热量。
因此，选择合适的电源电压需要根据实际应用需求进行权衡。
四、输出电压范围输出电压范围是反相电荷泵的一个重要参数，它决定了电路能够处理的信号范围。
输出电压范围主要受到电源电压和电荷泵配置的限制。
在某些情况下，可以通过调整电荷泵的配置或采用多级电荷泵来扩展输出电压范围。
五、效率与功耗效率与功耗是反相电荷泵设计中需要考虑的重要因素。
效率是指电路输出功率与输入功率之比，高效率可以降低能耗并减少热量产生。
功耗则是电路工作时所消耗的能量，它直接影响到电路的发热和可靠性。
因此，优化电路设计和选择低功耗元件是提高效率和降低功耗的关键。
六、噪声与失真噪声与失真是反相电荷泵性能的重要评价指标。
噪声主要是由电路内部元件的热噪声和外部环境的干扰引起的，失真则是由电路的非线性引起的。
为了减小噪声和失真，可以采用低噪声元件、合理布局布线、增加滤波器等措施，以提高反相电荷泵的性能。
七、稳定性与可靠性稳定性与可靠性是衡量反相电荷泵性能的重要指标。
稳定性是指电路在正常工作条件下输出的稳定性，可靠性则是指电路在各种工作条件下能够持续稳定工作的能力。
电荷泵升压电路及其工作方法解析-设计应用
电荷泵升压电路及其工作方法解析-设计应用电荷泵的工作过程为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，获得所需的输出电压。
开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。
电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。
因工作在较高频率，可使用小型陶瓷电容器（1μF），其占用空间，使用成本较低。
电荷泵转换器不使用电感器，因此其辐射EMI 可以忽略。
输入端噪声可用一只小型电容器滤除。
电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。
1、电荷泵电路工作原理分析与设计电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”（Flying）或“泵送”电容（而非电感或变压器）来储能的DC-DC（变换器）。
它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。
其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数（0.5，2或3）倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。
这种特别的调制过程可以保证高达80%的效率，而且只需外接陶瓷电容。
由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI（电磁干扰）。
电荷泵通过控制泵电容及调节开关来保持稳定的输出电压，电荷泵开关网络在泵电容充电和放电变换周期内可以实现泵电容的并行或串行排列。
在给定的输入、输出条件（差分电压）下，应选择电荷泵的工作模式以保持要求的输出电压。
电荷泵开关网络采用的MOSFET器件具有尺寸小，成本低，开关速度快，损耗等特点。
2、电荷泵电路研究与设计2.1、比较升压电路由于本设计采用Vcom是恒定电压、M2管栅极接脉冲信号驱动电路工作，因此要求激励信号要以中心电位为基准，交替的输出低电平和高电平信号来实现探头的周期性过饱和工作状态，本设计以0V 作为地电位，5V作为高电位，因此选用比较器电路进行升压。
其电路如图1所示，脉冲信号接入比较器一端，另一端接入2.5V 直流电平进行比较。
电荷泵设计指标
电荷泵设计指标电荷泵，是一种用于将电荷从低电位移动到高电位的器件，是集成电路中重要的模拟电路之一，用途包括电源管理、时钟信号生成、数据转换等。
设计电荷泵需要考虑多种指标，包括工作频率、效率、输出波形质量等等。
本文将详细介绍电荷泵设计的一些重要指标，希望可以为电荷泵的设计提供一些参考。
电荷泵的工作频率是其设计中的一个重要指标。
工作频率决定了电荷泵每秒钟能够完成多少次电荷转移，直接影响到其输出电压的稳定性和波形质量。
通常来说，工作频率越高，电荷泵的输出电压波动越小，设计电荷泵时需要充分考虑其工作频率的选择，尽可能选择高频率，以获得更稳定的输出电压。
电荷泵的效率也是一个需要重点考虑的指标。
电荷泵的效率直接影响到其在实际应用中的能耗和发热情况。
设计中应该尽可能提高电荷泵的效率，采用优化的电路架构和合适的工艺参数，以减小能源损耗，降低功耗，提高整体系统的能效。
电荷泵的输出波形质量也是一个重要的设计指标。
输出波形包括输出电压的稳定性、波峰波谷的对称性、波形的纹波等等。
一个优秀的电荷泵设计应该能够保证输出电压的稳定性高，波形质量好，同时尽可能减小纹波，降低可能的噪声干扰，保证电荷泵的输出电压在不同负载和环境条件下的稳定性。
对于一些特殊应用的电荷泵，还需要考虑其输出电压幅度和输出电流能力。
一些应用中需要较高的电压输出，或者大电流驱动，这时设计的电荷泵需要具有较高的输出能力，同时需要在保证输出质量的前提下能够满足特定的输出要求。
除了上述几点，还有一些其他的指标可能因应用需求而有所不同，比如温度稳定性、尺寸和重量等。
在设计电荷泵的时候，需要充分了解应用场景和要求，根据实际需求确定优先考虑的指标，进行综合权衡，以满足整体设计要求。
电荷泵设计指标中的工作频率、效率、输出波形质量、输出电压幅度和输出电流能力是其中比较重要的几项。
根据具体的设计需求，可结合其他指标进行综合考虑，以确保设计的电荷泵能够在实际应用中达到良好的性能和稳定性。
电荷泵设计指标
电荷泵设计指标电荷泵是一种用于产生电压或电势差的器件，通过周期性地将电荷从低电位传输到高电位，从而形成电压输出。
它广泛应用于各类电子设备中，如集成电路、电池管理系统、传感器等。
在设计电荷泵时，需要考虑各种指标以确保其性能和可靠性。
本文将就电荷泵的设计指标进行详细介绍。
1. 输出电压范围电荷泵的输出电压范围是指它能够产生的最高和最低的输出电压。
设计电荷泵时，需要根据实际应用的需求来确定输出电压范围。
输出电压范围的选择需要考虑到所驱动的负载电路的工作电压范围，以及系统对电源的稳定性要求。
还需要注意设计电荷泵时输出电压的纹波和噪声水平，以确保它在实际应用中能够提供稳定的电源。
2. 效率电荷泵的效率是指它将输入电源能量转换成输出电压能量的比例。
高效率的设计可以减少能量损耗，延长电池寿命，降低系统发热，提高系统性能。
在设计电荷泵时，需要考虑如何优化电压转换的效率，包括减小元件的损耗、提高开关频率、合理选择电感和电容等。
3. 开关频率电荷泵的开关频率是指它内部开关元件（通常是MOSFET）的工作频率。
开关频率的选择需要综合考虑电荷泵的输出电压范围、形成电压的速度、效率等因素。
一般来说，较高的开关频率可以减小输出电压的纹波和提高效率，但也会增加开关元件的损耗和EMI（电磁干扰）。
4. 温度稳定性电荷泵的工作温度范围和温度对输出电压的影响是设计中需要考虑的重要指标之一。
在不同的环境温度下，电荷泵的输出电压不应该有太大的变化，否则会影响系统的稳定性和可靠性。
设计时需要选择合适的元件和材料，采取合适的温度补偿措施来提高电荷泵的温度稳定性。
5. 输入电压范围电荷泵的输入电压范围是指它能够接受的输入电源电压范围。
设计时需要考虑所用电源的变化范围，以及电荷泵内部元件的耐压能力。
合理选择输入电压范围可以提高电荷泵的适用性，使其能够在不同的电源条件下正常工作。
6. 输出电流能力电荷泵的输出电流能力是指它能够提供的最大输出电流。
电荷泵电路参数
电荷泵电路参数全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：电荷泵电路是一种常用的电路设计，用于从电压较低的电路提升到较高的电压级别。
在现代电子设备中，电荷泵电路被广泛应用于LCD显示屏、手机和摄像头等设备中。
电荷泵电路的参数是指影响电路性能和稳定性的各种特性和指标。
通过调整这些参数，可以实现不同的电压升压率、效率和输出波形等要求。
下面将详细介绍一些常见的电荷泵电路参数及其影响。
1. 输入电压范围（Vin）：电荷泵电路的输入电压范围决定了电路能够提供的最大输出电压。
通常来说，输入电压范围越宽，电路提供的输出电压范围也越大。
因此，在设计电荷泵电路时，需要根据具体需求选择合适的输入电压范围。
2. 输出电压范围（Vout）：输出电压范围是电荷泵电路最重要的参数之一。
通过调整电路中的元件和拓扑结构，可以实现不同的输出电压范围。
在实际应用中，需要根据具体设备的电压要求选择合适的输出电压范围。
3. 输出电流能力：输出电流能力决定了电荷泵电路能够提供的最大输出电流。
通常来说，输出电流能力越大，电路能够驱动的负载也越大。
因此在设计电荷泵电路时，需要考虑所需驱动的负载及其电流需求。
4. 效率（Efficiency）：效率是指电荷泵电路将输入电压转换成输出电压的能力。
通常来说，效率越高，电路产生的热量就越少，运行更加稳定。
在设计电荷泵电路时，需要尽可能提高电路的效率，以减少能量浪费和热量产生。
5. 输出波形质量：输出波形质量是指电路产生的输出波形是否稳定、纯净。
在一些对波形质量要求较高的应用中，如音频放大器和信号调理器，需要特别关注电荷泵电路的输出波形质量，避免产生干扰和噪音。
在实际应用中，设计电荷泵电路时需要综合考虑以上各项参数，并根据具体需求做出相应的调整。
同时，还需要考虑电路的稳定性、可靠性和成本等因素，以确保设计出符合要求的电路。
总之，电荷泵电路的参数是影响电路性能和稳定性的重要因素，通过合理设计和调整这些参数，可以实现满足不同需求的电荷泵电路设计。
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设计指南Q&A系列: 电荷泵上网时间：2006年05月26日Sam Davis 著电荷泵主要有哪些应用？在过去的十年了，电荷泵得到了广泛运用，从未调整单输出IC到带多输出电压的调整IC。
输出功率和效率也得到了发展，因此现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流，效率达到75%(平均值)。
电荷泵大多应用在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。
主要应用包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器(如图)。
电荷泵如何工作？电荷泵(开关电容)IC通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容供电或断电来进行DC/DC电压转换。
基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电和断电这两个状态之间切换。
C1(充电电容)传输电荷，而C2(充电电容器)则储存电荷并过滤输出电压。
额外的“快速电容”和开关阵列带来多种好处。
电荷泵有哪些工作模式？电荷泵IC可以用作逆变器、分路器或者增压器。
逆变器将输入电压转变成一个负输出。
作为分路器使用时，输出电压是输出电压的一部分，例如1/2或2/3。
作为增压器时，它可以给I/O带来一个1.5X或者2X的增益。
很多便携式系统都是用一个单锂离子电池或者两个金属氢化物镍电池。
因此当在2X模式下运行时，电荷泵可以给一般在3.3V到4.0V的范围内工作的白光LED供应适当的正向电压。
电荷泵的输出电压经过调节吗？基本电荷泵缺少调整电路，因此实际上所有当今使用的电荷泵IC都增加线性调整或者电荷泵调制。
线性调整的输出噪音最低，并可以在更低的效率情况下提供更好的性能。
而由于调整IC没有串联传输晶体管，控制开关电阻的电荷泵调制就可以提供更高的效率，并为一个给定的芯片面积(或消耗)提供更多的输出电流。
电荷泵的主要优势是什么？电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。
但是，仍然有一个可能的微小噪音源，那就是当快速电容和一个输入源或者另外一个带不同电压的电容器相连时，流向它的高充电电流。
同样的，“分路器”电荷泵也能在LDO上改进效率，但又不会像感应降压调整器那样复杂。
电荷泵的输出电压和它的输入电压适配吗？电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。
例如，它在1.5X或1X的模式下都可以运行。
当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。
而当电池的电压较高时，电荷泵则在1X模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。
这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。
增加电容的开关频率会发生什么变化？增加开关频率也就增加了IC的静态电流，但是也同时降低了C1和C2的电容值。
常态频率结构提供低噪音调整输出电压，同时其输入噪音也比传统的电荷泵调节器要低。
高频率操作简化了过滤，从而进一步降低了传导噪音。
哪些电容器最适用于电荷泵？要实现最优的性能，就要采用带低等效并联电阻(ESR)的电容器。
低ESR电容器须用在IC的输出上，来将输出波纹和输出电阻最小化，并达到最高的效率。
陶瓷电容器就可以做到这一点，但是某些钽电容器可能要比较合适一点。
电荷泵软启动将带来什么效应？软启动可以在启动时阻止在VIN出产生过多的电流流量，从而增加了可定期用于输出电荷储存电容器的电流量。
软启动一般在设备被关机时激活，并在设备获得调整之后立刻屏蔽。
电荷泵IC如何将功率消耗最小化？通过运用脉冲频率调制，IC只有在当电荷必须传输出去来保持输出调节的时候才产生电荷。
当输出电压高于目标调节电压时，IC是闲置的，此时消耗的电流最小，因为储存在输出电容器上的电荷会提供负载电流。
而随着这个电容器不断放电以及输出电压逐渐降到目标调节电压一下，电荷泵才会激活并向输出传输电荷。
这个电荷供给负载电流，并增加输出电容器上的电压。
作者：Sam Davis，特约编辑线性稳压电源、开关稳压电源和电荷泵电源的区别根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。
它们各自都有一定的特点及适用范围。
线性稳压电源线性稳压电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。
线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。
该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高、外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。
缺点是一般认为线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差（一般称为压差）大，调整管上的损耗大，效率低。
但近年来开发出各种低压差（LDO）的新型线性稳压器IC，一般可达到达输出100mA电流时，其压差在100mV左右的水平（甚至于到70-80mv的水平），某些小电流的低压差线性稳压器其压差仅几十毫伏。
这样，调整管的损耗较小，效率也有较大的提高，因此可延长电池的寿命。
开关稳压电源与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。
它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。
功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。
DC/DC是开关稳压电源中的一种。
开关电源的优点是效率高（可以达到80~95%）、稳定可靠；缺点相对于线性电源来说成本较高、纹波较大（一般≤1%VO(P-P)，好的可做到十几mV(P-P)或更小)。
电荷泵电荷泵有三类：开关式调整器升压泵、无调整电容式电荷泵和可调整电容式电荷泵。
三类电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。
开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电荷泵采用电容器。
电荷泵器件占用的空间要小得多，似乎是大型厂商的首选。
它们受到青睐，除了可以用于不同的应用以外，还有一个间接的原因就是人们认为基于电感的功率源可能带来不可克服的EMI问题。
在便携式产品中，常常利用低压差线性稳压源（LDO）将5V主电源转换DC-DC电荷泵的研究与设计作者:曹香凝，汪东旭，严利民日期:2004-10-27文章编号：1009-3664（2004）05-0014-03DC-DC电荷泵的研究与设计曹香凝，汪东旭，严利民（上海大学微电子中心微电子与固体电子学，上海2000720）摘要：以Dickson电荷泵的基本原理出发点，研究了一种将正电压输入转为负电压输出的开关电容电路。
由于开关电容的充放电特点，为确定电容时间常数，采用非交叠（nonoverlapping）时钟控制信号避免了由于时钟交叠而造成的当电容充电还未完成即对下一级电容进行放电的现象。
同时，参考功率MOSFET的电容模型通过增大驱动电路的电流减小了开关管的上升延时，提高了开关动作的速度，使转换效率得到明显提高。
此电路结构简单，性能优良，易于集成，可广泛应用于输出负电压的电源产品中。
关键词：功率MOSFET；开关电容；电荷泵；转换率中图分类号：文献标识码：Research and Design of DC-DC Charge PumpCAO Xiang-ning，WANG Dong-xu，YAN Li-ming（Shanghai SHU Multi-chip Electronic Co., Ltd. Shanghai University, Shanghai 200072，China）Abstract：In this paper we have developed a kind of charge pump, which can transform the positive voltage into the negative one according to the principles of Dickson charge pump. Because of the features of switch capacitor we should adopted nonoverlapping clock signal if we want to guarantee charge completely through the switching of power MOSFET. Furthermore, the drive currents of MOSFET have been improved to decrease the switching time and improve the efficiency of transform.Key words：power MOSFET, switch capacitor, charge pump, transform efficiency0引言电源是电子设备的心脏部分，其质量好坏直接影响电子设备的可靠性。
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。
开关电源对频率要求高，这样动态响应才快，才能更好地配合高速微处理器的工作。
同时采用开关电源技术也是减小体积的重要途径之一，因为电器产品的体积重量与其供电平率的平方根成反比，所以当把频率从工频50 Hz提高到20 kHz时，用电设备的体积重量大体上降至工频设计的5～10％。
又由于功率MOS管具有快速开启、关断的特点，从而可以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为简单的倍压型（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Uf为低电平时，MD1管导通，输入电压uin对与结点1相连的电容进行充电，直到结点1的电压为Uin-Utn（Utn为NMOS管的阈值电压）；当Uf为高电平时，结点1的电压变为Uf+Uin-Utn，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Uf+Uin-2Utn；Uf再度变为低电平，结点2上电压为2Uf+Uin-2Utn；如此循环，直到完成四级电容的充放电，可以推得输出电压：Uout=Uin+4 (Uf-Utn)-Utn由此可以得到对于N阶倍压电荷泵的电压增益为：Uout=Uin+N(Uf-Utn)-Utn (1)但在实际电路中由于Uf受到开关管寄生电容Cs的影响，其真实值应为Uf=(C/(C+Cs))×Uf (2)将(2)式代入(1)式可得Uout=Uin+N((C/(C+Cs))×Uf-Utn)-Utn (3)当考虑负载后，由于负载会从电路中抽取电流Iout，当时钟f的频率为fosc时，负载上具有NIout/((C+Cs)fosc)大小的压降，代入(3)式得到输出电压Uout=Uin+N ((C/(C+Cs))×Uf -Iout/((C+Cs)fosc-Utn))-Utn (4)对于Dickson型电荷泵，单级电压增益GV=UN-UN-1=( C / ( C + Cs ) )×Uf- Iout / (( C + Cs ) fosc)- UtnDickson倍压电荷泵需要满足很重要的一个条件就是（C/(C+Cs)）×Uf-Utn-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。