负压电荷泵的工作原理介绍

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

    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。

    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

    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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