負(fù)電壓電荷泵的改進(jìn)

　　在圖1中，S1，S2，S3，S4采用的是功率MOSFET器件。功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)。由于功率MOSFET是單極性多子導(dǎo)電，故顯著地減小了開關(guān)時(shí)間。決定MOSFET開關(guān)速度的因素有開關(guān)電容的導(dǎo)通電阻和充、放電電流的大小，故為了獲得較高的采樣速度需要采用大尺寸的功率MOSFET和較小值的電容。然而柵極的驅(qū)動(dòng)速度在很大程度上也決定了功率MOSFET的開關(guān)速度，這就需要提供具有高速驅(qū)動(dòng)能力的電路來滿足這一要求。為了減小開關(guān)時(shí)間，可對(duì)MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行一定的改進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用中，功率MOSFET的輸出級(jí)還要帶負(fù)載，因此影響開關(guān)速度的大小的不光有驅(qū)動(dòng)速度的問題，還有輸出負(fù)載大小的問題。

　　圖1 電容式電荷泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　功率MOSFET的等效電路如圖2所示，輸入電容CIN＝CGS＋CGD輸出電容COUT＝CDS＋CGD，開關(guān)管的開通延遲時(shí)間為
　　上升時(shí)間為

　　式中，A為與UDS、UGS相關(guān)的系數(shù)；UGG為功率MOSFET柵極（直流）電源電壓；Ciss為功率MOSFET的柵極短路共源輸入電容。

　　整個(gè)開通時(shí)間為

　　由于Ron＝UGS／IOM，Ron為開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，IOM為功率MOSFET的最大輸出電流，代入式（1-56）可得

　　由式（1-57）可知，開關(guān)的導(dǎo)通速度與通過開關(guān)電流的大小成正比，電流越大，ton越小，開關(guān)的速度越快。為提高M(jìn)OSFET管的驅(qū)動(dòng)速度，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足以下要求。

　?、倌軌蛱峁┳銐虼蟮尿?qū)動(dòng)電流，即驅(qū)動(dòng)電路的充電電阻要充分小，以縮短導(dǎo)通時(shí)間。

　?、诰哂凶銐虻男沽髂芰?，即放電電阻要充分小，以提高開關(guān)管的關(guān)斷速度。
　　根據(jù)以上要求，考慮到三極管導(dǎo)通電阻小的特點(diǎn)，并且由于互補(bǔ)對(duì)管可消除少數(shù)載流子存儲(chǔ)時(shí)間的影響，從而可以達(dá)到很高的驅(qū)動(dòng)速度，因此可采用互補(bǔ)對(duì)稱型射極輸出器來驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，如圖3所示。

　　圖2 功率MOSFET極間電容等效電路

　　圖3互補(bǔ)跟隨電路

　　該驅(qū)動(dòng)電路利用VT4、R2、R2組成模擬電壓源，以產(chǎn)生正向偏壓，并使其值等于或稍大于導(dǎo)通電壓，只要有信號(hào)輸入，VT1、VT2即可輪流導(dǎo)通，這可克服互補(bǔ)對(duì)稱管必然存在的交越失真現(xiàn)象。通過調(diào)整R1與R2的比值可以調(diào)整偏壓值的大小。

　　為了提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度，應(yīng)根據(jù)電容兩端電壓與時(shí)間的關(guān)系確定最小時(shí)鐘周期，以減小功耗，提高轉(zhuǎn)換效率。最小時(shí)鐘頻率確定的原則是：既要保證電容充、放電完全，又要盡量使用高頻時(shí)鐘，以減小電路功耗、提高轉(zhuǎn)換效率。

　　為了避免電容在沒有完全充、放電時(shí)即進(jìn)人相對(duì)工作狀態(tài)，會(huì)對(duì)導(dǎo)通時(shí)間的準(zhǔn)確性及對(duì)開關(guān)管性能造成影響，可采用非交疊時(shí)鐘信號(hào)。非交疊時(shí)鐘發(fā)生器的原理圖如圖4所示，ClK為原始的時(shí)鐘信號(hào)，Φ1和Φ2為相位相反的非交疊時(shí)鐘信號(hào)。

　　圖4 非交疊時(shí)鐘發(fā)生器的原理圖