使用电荷泵驱动电路-第 2 部分

在本系列的第一篇引人入胜的文章中，我定性地解释了电荷泵的工作原理——同时巧妙地省略了任何数字。但是数字是最终的意义所在，在我们知道要使用哪些组件之前，我们无法正确设计任何东西。在本期中，我将解释外部组件对性能的影响。

图 1 显示了一个未稳压的电荷泵，它以 0.5 的占空比工作，其输出电压标称是输入电压的两倍。实际上，电荷泵的输出电压小于 2V I，由公式 1 给出：

其中 I O是输出电流，R O是输出电阻。

图 1 – 非稳压电荷泵

只要飞跨电容足够大，输出电阻 R O仅取决于晶体管 Q1 至 Q4 的 r DS(on)。如果我们进行数学运算（坦率地说，我不推荐它），我们最终会得到输出电阻的公式 2：

其中 f 是开关频率；C是飞电容；R 是充电和放电路径的电阻，假设它们都相等。（如果 Q1 和 Q2 相同，Q3 和 Q4 相同，则 R = r DS(on)(Q1) + r DS(on)(Q4)。）

 这是数学上的说法，它看起来几乎像两条直线，如图 2 所示。

图 2 中的曲线是理解电荷泵工作的关键。它告诉你的是，如果 C 大于某个临界值，它对输出阻抗几乎没有影响。这个临界值出现在. 实际上，当 时，输出阻抗是最小值的 1.3 倍 ，但就像直线近似是波德图中有用的简化一样，只需确保飞电容大于 就更容易了。

图 2 – 图 1 的输出阻抗

更多的数学练习表明，对于较大的飞跨电容值，稳态运行期间电荷泵中的峰值电流等于输出电流的两倍。在启动过程中，当飞跨电容从 0 V 充电到 ≈V I时，峰值电流会明显更高。精心设计的电荷泵会在启动期间逐渐增加 FET 开关的栅极-源极电压，从而起到软启动的作用并限制峰值电流。

公式 3 计算输出电压纹波：

C O是输出电容。

不要忘记陶瓷电容器会表现出直流偏置效应，这意味着电路中的有效电容通常远小于标称值。仔细检查 V I处的有效电容是否为飞跨电容，V O是否为输出电容。

在稳压电荷泵中，可调电流源（或用于反相电荷泵的灌电流）通常控制输出电压，如图 3 所示。

图 3 – 全集成稳压电荷泵的等效电路

 由于该电路只有三个开关，所以当 C 很大时，输出阻抗会趋于上升。然而，由于电流源 I DRV需要一定的最小电压 V DROP才能正常工作，因此图 3 中电路的最大输出电压（假设 C 大于临界值）由下式给出等式 4：

只要输出电压小于这个最大值，电荷泵的调节回路就会将输出阻抗降低到一个很小的值，实际上它对输出电压几乎没有影响。

请注意，如果电荷泵将二极管用于任何开关或占空比不是 0.5，则结果会略有不同（尽管形状仍然相同）。我将在下一部分中介绍这些结果。