LTspice中負電壓電荷泵的分析——電源和負載電阻

了解如何使用LTspice模擬來提供對開關電容器電壓反相電源性能的重要見解。

之前，我寫了一篇文章，解釋了負電壓的基本原理，我在LTspice實驗室繼續了這一主題，該實驗室使用模擬來闡明負電壓是電路中產生的。作為LTspice實驗室的一部分，我還將介紹一種電路拓撲結構，它可以產生穩定的負電壓，并能夠為其他組件提供電流。

在這一系列新文章中，我想更詳細地了解一下這種負電壓電路的功能，目的是增強我們對如何優化現實生活中的開關電容器電源和電源的理解。

綜述：電容器和開關的負電壓

在深入研究之前，讓我們看看圖1，它顯示了我之前在上一篇負電壓文章中介紹的電荷泵電路。

電荷泵電路示例。

圖1。電荷泵電路示例。

在電路示意圖中，V1產生輸入電壓，V2產生控制所有四個開關的500kHz方波。由于SW1和SW2模型中分配給導通和截止狀態的電阻值不同，當S2和S3截止時，S1和S3導通，反之亦然。當S1和S3允許電流流動時，源極電壓對電容器C1充電，然后所有四個開關都改變狀態，使得C1放電到電路的右側。

接下來，C2獲得等于V1源電壓的電勢差，但是由于C2的較高電壓端子接地，因此較低電壓端子必須轉移到負電壓區域中。因此，INVERTED節點處的電壓等于負V（SOURCE）。換句話說，VOUT=–VIN。

下面的曲線圖（圖2）顯示了輸出電壓下降到VIN，然后保持在VIN。

圖2:示例圖顯示輸出電壓下降至并保持在–VIN。

了解負載電阻的影響

也許你想知道開關電容器電路是否太好了，不可能是真的。只有兩個電容器，四個開關和一個方波？這就是我們產生一個良好調節的負電壓供電軌所需要的全部？嗯，不完全；這個電路實際上并不是一個電壓調節器。

它不是電壓調節器，因為它缺乏線性調節器和開關模式調節器操作的核心：反饋子系統。調節器通過監測輸出并通過負反饋補償負載變化來保持穩定、可預測的電源電壓。

我們的開關電容電荷泵沒有任何負反饋控制系統，因此，負載電阻的降低將導致輸出電壓的相應降低。這是因為輸出網絡本質上是一個分壓器。考慮到這一點，當RLOAD=100 kΩ時，我們在輸出端有完整的-VIN，這只是因為100 kΩ遠高于電荷泵的源極電阻（ROUT）。隨著RLOAD朝向ROUT減小，電壓在這兩個電阻之間被更均勻地分壓，因此輸出電壓（即，RLOAD兩端的電壓）減小。

你也可以從負載電流的角度來考慮這個問題。假設負載電路的操作發生變化，使得電源必須輸送更多的電流（這在電氣上相當于RLOAD的減少）。當這種情況發生時，更多的電流流過ROUT，更多的電壓在ROUT上下降，并且在輸出節點處可獲得較小比例的輸入電勢差。

LTspice中可變負載電阻的仿真

我們可以使用一個.step文本命令，直接放在LTspice示意圖上，以直觀地評估不同RLOAD的效果：

.step PARAM LOAD list 100k 10k 1k 100 10

此語句將導致對變量LOAD所附列表中的每個值運行一次模擬。我們想將這些值分配給RLOAD組件，并通過在組件值字段中使用{LOAD}（不要忘記花括號）來實現這一點（如圖3所示）：

電荷泵電路的一部分，顯示Rload｛LOAD｝。

圖3。電荷泵電路的一部分，顯示Rload｛LOAD｝。

結果如下圖4所示。

所得到的示例電荷泵電路的仿真結果。

圖4。所得到的示例電荷泵電路的仿真結果。

三個最高電阻值（100 kΩ、10 kΩ、1 kΩ）都具有相似的性能，并且與這三個值對應的跡線幾乎無法區分。然而，在100Ω（米色跡線）時，我們開始注意到輸出電壓的下降，而在10Ω（綠色跡線）處，下降相當嚴重。

（我相信你也注意到，隨著負載電阻的降低，電壓紋波會顯著增加。我們將在第2部分中討論這一點。）

評估應用可行性的輸出電壓

像這樣的模擬有助于我們確定電路是否會為給定的應用保持足夠的輸出電壓。假設我們需要一個負電壓來為組件供電，其供電要求為-5 V±0.3 V；在這種情況下，最小可接受電壓幅度為4.7V。使用我們之前的結果作為起點，我們創建了另一個具有RLOAD值的模擬（圖5），該值將使我們接近相關電壓閾值。  

.step PARAM LOAD list 300 100 70 40

RLOAD使我們接近相關電壓閾值的仿真結果。

圖5。RLOAD使我們接近相關電壓閾值的仿真結果。

我們的結果表明，最小安全RLOAD略低于70Ω。我們稱之為65Ω。RLOAD=65Ω的單次運行模擬證實了我們（理論上）在可接受的范圍內，如下圖6所示。

RLOAD=65Ω的單個模擬結果。

圖6。RLOAD=65Ω的單個模擬結果。

歐姆定律告訴我們，RLOAD=65Ω的負載電流約為74mA-如果你愿意，你可以通過模擬來確認這一點。因此，我們得出結論，如果總負載電流小于74mA，則電荷泵將能夠為所討論的部件保持足夠的負電源電壓。

總之，我們研究了LTspice開關電容器電荷泵的一些有趣的細節，注意到該電路不是電壓調節器，并使用.step模擬來確定負載電流能力。在下一篇文章中，我們將更深入地了解輸出紋波。