電荷泵原理及應(yīng)用(編輯修改稿)
2025-10-04 14:58 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 減小這個(gè)串聯(lián)電感。 一旦電路被加電，將產(chǎn)生指數(shù)特性的瞬態(tài)條件，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)條件為止。電容的寄生效應(yīng)限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間。因此，電容的電荷累積不能立即完成，這意 味著電容兩端的初始電壓變化為零 [8]。電荷泵就是利用電容的這種特性進(jìn)行工作的，如圖 3(a)所示。 電荷泵的電壓變換在兩個(gè)階段內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在第一個(gè)階段，開(kāi)關(guān) S1和 S2關(guān)閉，而開(kāi)關(guān) S3和 S4打開(kāi)，電容 C1充電到輸入電壓： INCCC UUUU ??? ?? 111 在第二階段，開(kāi)關(guān) S3和 S4關(guān)閉，而 S1和 S2打開(kāi)。因?yàn)殡娙?C1兩端的電壓降不能立即改變，輸出電壓跳變?yōu)檩斎腚妷旱膬杀丁? INO U TININO U TCCC UUUUUUUU 2111 ??????? ??? 使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)電壓的倍壓，通常開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比為 50%時(shí)，能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。 圖 3(b)中顯示了開(kāi)關(guān)電容的倍壓器的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。根據(jù)功率守恒原理，平均輸入電流是輸出電流的兩倍。在第一階段，充電電流流入 C1。該充電電流的初始值決定于電容 C1兩端 的初始電壓、 C1的 ESR 以及開(kāi)關(guān)的電阻。在 C1充電后，充電電流呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)地降低。充電時(shí)間常數(shù)是開(kāi)關(guān)周期的幾倍，更小的充電時(shí)間常數(shù)將導(dǎo)致峰值電流增加。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，輸出電容 CO線性放電以提供負(fù)載電流 [8]。 在第二階段， C1 的正端連接到輸出端，放電電流（電流大小與前面的充電電流相同）通過(guò) C1流向負(fù)載。 在這個(gè)階段，輸出電容電流的變化大約為 2IO。盡管這個(gè)電流變化應(yīng)該能產(chǎn)生輸出電壓變化為 Coo ESRI ?2 ，使用低 ESR 的陶瓷電容使得這種變化可 以忽略不計(jì)。 (a)電荷泵電路 (b)相關(guān)波形 圖 3 電荷泵工作基本原理圖 [8] 此時(shí)， CO線性地充電。當(dāng) C1連接到輸入端和地之間時(shí)， CO線性地放電?？偟妮敵黾y波峰峰電壓值為： 對(duì)于更高的開(kāi)關(guān)頻率，可以采用更小的輸出電容來(lái)獲得相同的紋波，電荷泵的寄生效應(yīng)導(dǎo)致輸出電壓隨著負(fù)載電流的增大而下降。事實(shí)上，總是存在大小為 2Io 的電流通過(guò) C1和兩個(gè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻（ 2RSW），導(dǎo)致產(chǎn)生的功耗為 [6]： )48()2()2( 1212 CSWoCSWoSW ES RRIES RRIP ???? 除了這些純粹的電阻損耗，電流 IO流過(guò)開(kāi)關(guān)電容 C1的等效電阻產(chǎn)生的功耗為： CO的 RMS 電流等于 IOUT，導(dǎo)致產(chǎn)生的功耗為： CoooESR ES RICP ??? 2 所有這些損耗可以用下面的等效電阻進(jìn)行匯總： 這樣一來(lái)，電荷泵的輸出電壓為： ooINo RIUU ??? 2 因?yàn)樘沾呻娙菥哂械偷?ESR 值以及高的開(kāi)關(guān)頻率，輸出紋波以及輸出電壓降取決于開(kāi)關(guān)電阻。利用更多的開(kāi)關(guān)和電容可以實(shí)現(xiàn)附加的電壓轉(zhuǎn)換。圖 4 為電荷泵開(kāi)關(guān)工作示意圖。同樣，電壓轉(zhuǎn)換在兩個(gè)階段內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在第一階段，開(kāi)關(guān) S1~S3關(guān)閉，而12121 1CoCoC fIRIP ????CoCCSWo E S RfE S RRR ???? 11 148ooRIPPLE fCIU 2? 開(kāi)關(guān) S4~S8打開(kāi)。因此， C1和 C2并聯(lián)。假設(shè) C1等于 C2，則充電到一半的輸入電壓。 圖 4 電荷泵開(kāi)關(guān)工作電路圖 [
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