一種用于驅(qū)動高邊功率開關(guān)的電荷泵電路

任? 立? 張國俊 （電子科技大學(xué)?電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川?成都??610054）

摘? 要：提出了一種新型的電荷泵電路設(shè)計，該設(shè)計利用電容電壓不能突變的原理，設(shè)計了一種可以用來驅(qū)動 高邊功率開關(guān)管柵極電壓的電荷泵結(jié)構(gòu)。采用該結(jié)構(gòu)后的高邊功率管的柵極電壓，可以在控制信號開啟后很短 的時間內(nèi)，將柵極電壓迅速抬升至電源電壓以上，確保功率開關(guān)管可以正常導(dǎo)通。通過調(diào)整輸入方波的頻率， 該結(jié)構(gòu)的電壓抬升時間可以根據(jù)不同的工藝水平和工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，本文也整理了不同的輸入頻率和抬升時 間之間的關(guān)系。 

關(guān)鍵詞：電荷泵；功率開關(guān)；功率集成電路；高邊驅(qū)動；

0  引言 

高邊功率開關(guān)是功率集成電路的典型電路之一。它 是將驅(qū)動電路、控制電路與保護(hù)電路能夠集成于一個芯 片中，在一定程度上實現(xiàn)智能化的控制功能，將會大大 降低芯片的設(shè)計難度并且提高其性能。而電荷泵電路則 是其中必不可少的重要驅(qū)動電路。隨著人們對便攜式電 子設(shè)備的消費(fèi)需求越來越高，電子產(chǎn)品的高性能、低功 耗、輕型化等需要使得電源開關(guān)相關(guān)的芯片性能要求愈 加提升，而對電荷泵電路的性能要求也隨之越來越高。 

智能功率開關(guān)將控制電路，保護(hù)電路，驅(qū)動電路以 及一些外圍接口與功率開關(guān)做成一體化的集成芯片。其 中驅(qū)動電路就是本文所提及的電荷泵電路。智能功率開 關(guān)分為高邊功率開關(guān)和低邊功率開關(guān)，高邊與低邊的區(qū) 別在用作開關(guān)作用的MOS 管接在電源端還是地端。根 據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境會選擇不同的功率開關(guān)。 

高邊功率開關(guān)如圖1 所示，高壓功率管NMOS 起主 要的開關(guān)作用，通過電荷泵驅(qū)動電路對功率MOS 管的 柵極進(jìn)行充放電來控制其開啟與關(guān)斷。 

電荷泵是一種電荷轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行工作的電路，在本文所研究的這款芯片中，電荷通過對功率管的柵電 容進(jìn)行周期性的充電，將柵電壓逐漸提高到功率管的開 啟電壓以上，從而保證芯片能夠開啟。由于電荷泵會對 柵極進(jìn)行持續(xù)的充電，因此柵極電壓會充到電源電壓以 上，需要一個鉗位電路來限制柵極的最高電壓，即電荷 泵電路的輸出電壓。

1  電荷泵電路的設(shè)計背景和基本原理 

1.1 電荷泵電路的設(shè)計背景

本文設(shè)計的電荷泵電路是應(yīng)用于一款電源電壓工作 范圍為4.7~52 V 的高邊功率開關(guān)電源芯片。本文中取 40 V為例進(jìn)行設(shè)計，為了使得功率開關(guān)管在供電電源為 40 V時依舊可以正常工作，則電荷泵電路需要將驅(qū)動電 壓抬升至40 V以上。 

1.2 電荷泵電路基本原理 

電荷泵是一種DC/DC 的電壓轉(zhuǎn)換電路，在實際應(yīng) 用中電荷泵可以將輸入電壓的相位反轉(zhuǎn)即正電壓輸出為 負(fù)電壓，或者將輸入電壓的大小增大甚至翻倍。電荷泵 的原理是通過對內(nèi)部電容的周期性的充放電，利用電容 電壓不能突變的原理實現(xiàn)對輸入電壓大小和相位的控 制，因此將這種電路稱為電荷泵變換器。

電荷泵的基本原理電路如圖2所示，該電路的核心 是兩個電容、一個反相器和四個開關(guān)組成。開關(guān)的關(guān) 斷與開啟由電荷泵前級電路輸入的周期變化的方波信 號與反相器控制，且開關(guān)狀態(tài)總是成對出現(xiàn)?？刂菩?號在第一個高電平時，S1開關(guān)和S2開關(guān)閉合、S3開關(guān) 和S4開關(guān)則會因為反相器而斷開，此 時，圖2中左邊的回路就會導(dǎo)通，輸 入電壓U1開始對電容C1進(jìn)行充電，靠 近S1端為正電壓；在控制信號為低電 平時，開關(guān)狀態(tài)相反，即S1開關(guān)和S2 開關(guān)斷開、S3開關(guān)和S4開關(guān)閉合，此 時圖2中的左側(cè)回路關(guān)閉而右側(cè)回路開 啟，電容C1向C2放電，電荷就會存儲 在電容C2的內(nèi)部，其兩端的電壓差值 將會達(dá)到U1，且靠近開關(guān)S3端是正電位，而由于電容C2上極板接地，則輸出電壓U0的電壓 為-U1。由此可以得到與輸入電壓極性相反的輸出電 壓。之后下一個周期的方波信號來臨，高電平時，S1開 關(guān)和S2開關(guān)再次閉合、S3開關(guān)和S4開關(guān)再次斷開，輸入 電壓U1又一次向電容C1進(jìn)行充電，之后方波低電平， 和之前一樣，S1開關(guān)和S2開關(guān)斷開、S3開關(guān)和S4開關(guān) 閉合，在原本C2中就存儲電荷的情況下，C1繼續(xù)向C2 放電，C2極板的電壓就會升高。以此類推，如果控制信 號以高頻率方波輸入，則通過C1和C2的電壓轉(zhuǎn)換可以 在輸出端得到持續(xù)輸出的負(fù)電壓。 

雖然電荷泵能夠?qū)崿F(xiàn)電壓變換，但從原理上可以理 解其輸出電壓始終處于動態(tài)的變化之中，且電容的充放 電過程中會有輸出電流，電壓轉(zhuǎn)換過程中會出現(xiàn)能量損 耗。因此設(shè)計一個所需的電荷泵電路的終點就在于克服 這些因素。

2  電荷泵電路的設(shè)計 

經(jīng)過對原理的分析以及相關(guān)知識的理解，經(jīng)過多 次嘗試后，最終得到的圖3即為所設(shè)計的電荷泵實際電 路圖。 

在圖3所示的電路中，V_DD為輸入電源電壓，Vn和Vp 是由電荷泵前級振蕩器電路產(chǎn)生的固定頻率方波電壓， 二者頻率相同但相位相差180°， V_logic為控制電壓，該電 壓為高時電荷泵工作，為低時電荷泵關(guān)斷，GND為地電 位；圖中右側(cè)輸出一側(cè)中，Q9即為電荷泵電路驅(qū)動的 功率MOS開關(guān)管，V_gate為電荷泵輸出電壓，負(fù)責(zé)連接被 驅(qū)動功率管的柵極，OUT端為功率管的源極輸出電位。

圖3中，Q1、Q2、Q3組成電流鏡電路，當(dāng)V_logic為 高電平時，Q1所在的支路導(dǎo)通，為Q2、Q3提供合理的 柵極電壓，當(dāng)Vp為高電平時，Vn為低電平，則NMOS 管Q5導(dǎo)通、Q6關(guān)斷，此使由Q3、C2、D1、C1、Q5組 成的充電回路導(dǎo)通，對C1和C2電容進(jìn)行充電，若忽略 Q3、D1、Q5上的壓降，則VDD和GND之間分擔(dān)電壓的 只有C1和C2兩個電容，若二者容值相等，則C1右極板 處的電壓在充電后會被抬升至0.5 VDD；接下來Vp變?yōu)?低電平時，Vn變?yōu)楦唠娖?，則NMOS管Q6導(dǎo)通、Q5關(guān) 斷，充電回路關(guān)斷，同時忽略Q2電壓，則C1左極板電 壓被瞬間抬升至V_DD，因為電容電壓不能突變，則C1右 極板處的電壓也會被抬升至1.5倍的VDD，實現(xiàn)了電壓抬 升的效果。之后Vn、Vp反復(fù)導(dǎo)通、關(guān)斷，逐級抬升C1 右極板處電壓。但是因為輸出的V_gate端支路上接著由二 極管D3~D8和二極管連接的NMOS管Q8組成的反偏二 極管鏈，使得輸出處的V_gate電壓最高只能比VDD高出固 定數(shù)值的電壓，進(jìn)一步抬升時這些反偏二極管就會導(dǎo) 通，使得Vgate處電壓不會過高，以確保主功率管的柵極 不會被過高的電壓擊穿， 同時使得主功率管在正常 工作時處于線性區(qū)。因為 存在這樣的一個保護(hù)電 路，在逐級抬升至比VDD 高出一定數(shù)值的電壓后， V_gate會穩(wěn)定在一個電壓值 對功率MOS管Q9進(jìn)行驅(qū) 動，對于本文以40 V為例 的情況，所涉及的電壓值 約為42.5 V。當(dāng)該電荷泵 電路應(yīng)用于不同的電路情 況時，所需的最終輸出的 穩(wěn)定電壓值也不盡相同， 而這個最終穩(wěn)定的輸出電壓和電源電壓之間的差值，可 以通過調(diào)整二極管鏈中每個管子的參數(shù)或管子的數(shù)量而 得到。 

當(dāng)V_logic電壓為低時，則Q1所在支路關(guān)斷，同時經(jīng)過 反相器后連接到NMOS管Q7柵極的電壓為高，使得其導(dǎo)通，將V_gate處電壓迅速拉低。

3  仿真結(jié)果與分析 

此電荷泵電路被應(yīng)用于一款電源電壓工作范圍為 4.7 ~52 V 的高邊功率開關(guān)電源芯片，基于0.35 μm的 BCD工藝。本文以40 V電源電壓，前級輸入的方波頻率 0.5 MHz為例，經(jīng)過Hspice軟件進(jìn)行仿真，得到的仿真 結(jié)果如圖4所示。 

通過圖4的整體仿真波形可以看出，當(dāng)電荷泵的開 啟電壓V_logic為高，電路開始工作后，輸出電壓Vgate迅速 抬升，在48 μs的時候?qū)㈦妷禾粮哂陔娫措妷?0 V 的42.56 V，并且之后基本穩(wěn)定在這個數(shù)值不會更高， 而當(dāng)開啟電壓V_logic關(guān)斷時，輸出電壓迅速拉低，整個電 路進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，直到V_logic重新拉高，才開始再一次工作。 

以上是3 ms的整體仿真波型，而圖5則是60 μs內(nèi)的 仿真波形，經(jīng)過放大可以看出電荷泵輸出電壓的逐級抬升過程。

可以看出，當(dāng)輸入的開啟電壓V_logic高于開啟閾值 后，電荷泵電路開始工作，根據(jù)之前的原理圖可以看 出，隨著兩個相位相反的方波逐漸輸入，電容不斷地 充放電，電路輸出端V_gate開始一次次階梯狀升壓，在M0 點，即31.08 μs后輸出端的電壓V_gate達(dá)到電源電壓40 V，之后繼續(xù)抬升，最終從啟動經(jīng)過了48.20 μs之后，輸出 電壓達(dá)到了42.69 V并趨于穩(wěn)定，之后略有抬升但幅度 很小，最終穩(wěn)定的電壓為42.78 V且不會過高，這是由 于二極管D3~D8和二極管連接的NMOS管Q8組成的反 偏二極管鏈起到了過壓保護(hù)的功能。根據(jù)以上仿真波形 可以看出，從啟動到電壓基本穩(wěn)定共需48~50 μs。 

同時在調(diào)試仿真的過程中觀察到，電荷泵抬升所需 要的時間和輸入方波的頻率具有一定相關(guān)性，經(jīng)過多次 仿真測試，在電路其他參數(shù)保持不變的情況下，得到前 級輸入的方波頻率和輸出電壓抬升時間之間的關(guān)系如表 1所示。可以根據(jù)實際工藝水平、工作環(huán)境等需求，計 算出前級震蕩器所能輸出的最終頻率，根據(jù)此表可以得 出對應(yīng)的輸出電壓抬升時間。

4  結(jié)論 

本文討論了電荷泵技術(shù)的原理，并根據(jù)該原理設(shè)計 出了一種能夠快速抬升輸出電壓至電源電壓以上一定值 的電荷泵電路結(jié)構(gòu)。該電路可以很好得工作于一款基于 0.35 μm、BCD工藝的電源電壓工作范圍為4.7 V~52 V 的高邊功率開關(guān)電源芯片。本文設(shè)計完成后，經(jīng)過 Hspice軟件進(jìn)行了相關(guān)仿真，印證了該電路設(shè)計的正確性。同時由于工藝溫度 等條件的不同，實際輸入 方波能達(dá)到的穩(wěn)定頻率 并不一定，因此本文還總 結(jié)了不同輸入方波頻率 與輸出電壓抬升時間之間 的關(guān)系。該電路同樣可以 適用于其他功率開關(guān)驅(qū)動 電路。

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本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第62頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。