電荷泵的基本原理

電容是存儲(chǔ)電荷或電能，并按預(yù)先確定的速度和時(shí)間放電的器件。如果一個(gè)理想的電容以理想的電壓源%進(jìn)行充電，如圖1(a)所示，則電容將依據(jù)Dirac電流脈沖函數(shù)立即存儲(chǔ)電荷，如圖1(b)所示。存儲(chǔ)的`總電荷數(shù)量按下式計(jì)算。

實(shí)際的電容具有等效串聯(lián)阻抗(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)，兩者都不會(huì)影響到電容存儲(chǔ)電能的能力。然而，它們對(duì)開關(guān)電容電壓變換器的整體轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。實(shí)際電容充電的等效電路如圖1(c)所示，其中Rs.是開關(guān)的電阻。ESL為實(shí)際的電容等效串聯(lián)電感，則在電容的充電電流路徑上具有串聯(lián)電感，通過適當(dāng)?shù)钠骷季衷O(shè)計(jì)可以減小這個(gè)串聯(lián)電感。

圖1 電荷泵工作的基本原理圖

如圖2(a)所示的電路一旦被加電，由于電容的寄生效應(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。電荷泵就是利用了這種電容特性來工作的。

圖2 電荷泵電路及其工作波形

電壓變換在兩個(gè)階段內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。在第一個(gè)階段期間，開關(guān)S1和S2關(guān)閉，而開關(guān)S3和S4打開，電容充電到其值等于輸入電壓。

在第二個(gè)階段，開關(guān)S3和s4關(guān)閉，而S1和S2打開。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡荒芰⒓锤淖?，輸出電壓則跳變到輸入電壓值的兩倍，即

使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)電壓的倍壓，通常開關(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2(b)中顯示了圖(a)電路實(shí)現(xiàn)電壓倍壓的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。如圖(a)所示電路在第一階段時(shí)，充電電流會(huì)流入到C1中。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及開關(guān)的電阻。在C，充電后，充電電流呈指數(shù)級(jí)地降低。充電時(shí)間常數(shù)是開關(guān)周期的幾倍，更小的充電時(shí)間常數(shù)將導(dǎo)致峰值電流的增加。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，輸出電容CHOLD線性放電以提供負(fù)載電流。

在第二階段，C1+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C1流到負(fù)載。在這個(gè)階段，輸出電容電流的變化大約為2IOUT。盡管這個(gè)電流變化應(yīng)該能產(chǎn)生的輸出電壓變化為2IOUT×ESRCHOLD，但使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計(jì)。此時(shí)，CHOLD線性地充電。當(dāng)C1連接到輸入和地之間時(shí)，CHOLD線性地放電。總的輸出紋波峰-峰電壓值為