深度揭秘——電荷泵設計及應用

　　電荷泵原理

　　電荷泵的基本原理是，電容的充電和放電采用不同的連接方式，如并聯充電、串聯放電，串聯充電、并聯放電等，實現升壓、降壓、負壓等電壓轉換功能。

　　上圖為二倍升壓電荷示，為最簡單的電荷泵電路。V2輸出為方波信號，當V2為低電平的時候，V1通過D1、C1、V2對電容C2充電，C2兩端電壓上正下負;當V2為高電平輸出的時候，V2輸出電壓與C1兩端電壓相疊加，通過D3對負載供電并對C2充電。如果忽略二極管壓降，則C2兩端電壓Vo = V2 + V1，其中V2為電壓源V2的高電平輸出電壓。

　　由于電荷泵整個工作過程的核心部分為電容充放電過程，所以最重要的公式為電容充放電公式：I*T=ΔV*C，其中T為電容充放電周期，ΔV為每個充放電周期內電容兩端電壓波動，I為充放電電流。

　　電荷泵以非常簡單的電路可以實現升壓、降壓、負壓等功能，所以各種不同的場合為電路擴展小功率電路。

　　電荷泵在電路中的作用

　　1.功率電路中的電荷泵

　　電荷泵的一個非常廣泛的用途就是在由N溝道MOSFET構成的半橋電路中為上橋臂提供浮驅電壓。典型接法如下圖所示，圖中紅框內的二極管D及電容Cboot與主電路中半橋的下橋臂T1構成電荷泵。當半橋的下臂T1開通時，Vcc通過D與T1為電容Cboot充電;當T1關斷T2導通時，Cboot為上臂T2提供MOSFET導通所必需的Vgs電壓。這是由于T2在電路中的位置所決定的，當T2導通時，如果忽略導通壓降Vds，T2的源極電壓Vs = Vr，所以如果想要飽和導通，加上T2門極上的驅動電壓需滿足Vg = Vr +Vgs，對于功率型N溝道MOSFET而言，Vgs通常需要15V左右。電荷泵以很少的元器件滿足了這一設計要求，所以在此類應用中得到廣泛應用。