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负压电荷泵的工作原理介绍

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来源: 日期:2013-11-17 19:40:39 人气:标签:

负压电荷泵的工作原理介绍

负压电荷泵的工作原理

图1 负压电荷泵的工作原理

    振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关s1及s2,此脉冲经反相器反相后控制模拟开关s3及s4。当模拟开关s1、s2闭合时,模拟开关s3、s4断开;模拟开关s3、s4闭合时,模拟开关s1、s2断开。

    当模拟开关s1、s2闭合,模拟开关s3、s4断开时,输入的正电压+uin向c1充电(上正下负),c1上的电压为+uin;当模拟开关s3、s4闭合,模拟开关s1、s2断开时,c1向c2放电(上正下负),c2上充的电压为-uin,即uout=-uin。当振荡器以较高的频率不断控制模拟开关s1、s2及模拟开关s3、s4的闭合及断开时,在输出端可输出变换后的负电压(电压转换率可达99%左右)。

    由如图1所示的原理图分析可知,当时钟信号为高电平时,模拟开关s1、s2同时导通,s3、s4同时关断,uin对电容c1进行充电,ucl+=uin-utp-utn(utp为开关s1的电压降,utn为开关s2的电压降),ucl-=utn;当时钟信号为低电平时,s1、s2关断,s3、s4同时导通,c1上存储的电荷通过s3、s4传送到c2上,由于c2高电位端接地,故输出端电压为uout=-(uin-utp)。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-iout[(c+csn+csp)fosc]大小的压降(csn、csp为开关极间电容),输出电压为

负压电荷泵的工作原理

    式中,c1sn、c1sp为模拟开关s1,s2的开关电容;c2sn、c2sp,为模拟开关s3,s4的开关电容。

    电荷泵使用电容储存能量。随着电荷泵电路结构的改进,它可应用在需要大电流的电路中。一般电荷泵电路主要有“linear”和“skip”两种工作模式。

    当电荷泵工作在“linear”模式下,可以获得较低的输出纹波;工作在“skip”模式下可以获得较低的静态电流。为描述方便,以下分析中的电荷泵的四个开关管均用nmos代替,而实际电荷泵电路中的开关管既有pm0s又有nm0s。电荷泵简单的工作过程可分为以下三个阶段。

    阶段a(充电阶段,s1和s2导通):泵电容被uin充电,c1(泵电容)两端的平均压差为uin减去充电电流在s1和s2产生的压降。

负压电荷泵的工作原理 计算公式

    式中,ucl为泵电容c1两端的平均压差;rs1、rs2为开关管s1,s2的开关电阻。

    阶段b(能量传输阶段,s3和s4导通):泵电容向负载电容放电,其两极平均电压为

负压电荷泵的工作原理 计算公式

    阶段c(等待阶段,s1~s2均不导通):没有能量从uin传输到c1和c2。ucl=待状态,c1两端的电压保持恒定,这意味着c1的电容量在阶段a与阶段b相等。

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