电荷泵升压电路及其工作方法解析电荷泵升压电路及其工作方法解析
电荷泵的工作过程为:首先贮存能量,然后以受控方式释放能量,获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵
采用电感器来贮存能量,而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑
电路、比较控制器实现电压提升,采用电容器来贮存能量。因工作在较高频率,可使用小型陶瓷电容器
(1μF),其占用空间,使用成本较低。电荷泵转换器不使用电感器,因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可
用一只小型电容器滤除。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计,如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携
式电子设备。1、电荷泵电路工作原理分析与设计电荷泵也称为开关电容式电压变换器,是一种利用所谓的“快
速”(Flying)或
电荷泵的工作过程为:首先贮存能量,然后以受控方式释放能量,获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器
来贮存能量,而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压
提升,采用电容器来贮存能量。因工作在较高频率,可使用小型陶瓷电容器(1μF),其占用空间,使用成本较低。电荷泵转
换器不使用电感器,因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容器滤除。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设
计,如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。
1、电荷泵电路工作原理分析与设计、电荷泵电路工作原理分析与设计
电荷泵也称为开关电容式电压变换器,是一种利用所谓的“快速”(Flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的
DC-DC(变换器)。它们能使输入电压升高或降低,也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电
容器的充电和放电,从而使输入电压以一定因数(0.5,2或3)倍增或降低,从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过
程可以保证高达80%的效率,而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的,电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和
EMI(电磁干扰)。
电荷泵通过控制泵电容及调节开关来保持稳定的输出电压,电荷泵开关网络在泵电容充电和放电变换周期内可以实现泵电
容的并行或串行排列。在给定的输入、输出条件(差分电压)下,应选择电荷泵的工作模式以保持要求的输出电压。电荷泵开
关网络采用的MOSFET器件具有尺寸小,成本低,开关速度快,损耗等特点。
2、电荷泵电路研究与设计、电荷泵电路研究与设计
2.1、比较升压电路、比较升压电路
由于本设计采用Vcom是恒定电压、M2管栅极接脉冲信号驱动电路工作,因此要求激励信号要以中心电位为基准,交替的
输出低电平和高电平信号来实现探头的周期性过饱和工作状态,本设计以0V作为地电位,5V作为高电位,因此选用比较器电
路进行升压。
其电路如图1所示,脉冲信号接入比较器一端,另一端接入2.5V直流电平进行比较。当输入0V低电平时,比较器输出高电
压5V,反之,则输出0V地电压。比较器高电平接5V直流电压,低电平接地。升压电路在实现逻辑功能的基础之上还要求输出
具有较大的压摆率,以增加高低电平的转换速度。晶体管M10~M13构成两级反相器来增大电路的压摆率。
图1比较器升压电路
此电路图由三部分组成:运算放大电路、二级运算放大电路和偏置电路。
此电路图由7个pmos和6个nmos管组成,其中M1~M5构成运算,M7~M8构成二级运算,放大电路,M10~M13俩组反相
器。M5、M9有共同的源极和栅极,导致他们电流大小的和与M7的宽长比值成比例。M10~M13作用:由于二级运算放大器输
出的是模拟信号,在Vmin和Vmax之间变化,M10、M11组成的反相器使输出中间值变得更加准确。M12、M13组成的反相器
使转化的更加明显和到位。同时晶体管M10~M13构成两级反相器来增大电路的压摆率。