深度揭秘——電荷泵設(shè)計及應(yīng)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(lián)充電、串聯(lián)放電，串聯(lián)充電、并聯(lián)放電等，實現(xiàn)升壓、降壓、負(fù)壓等電壓轉(zhuǎn)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(dāng)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(fù);當(dāng)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(fù)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(nèi)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(xiàn)升壓、降壓、負(fù)壓等功能，所以各種不同的場合為電路擴(kuò)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(gòu)成的半橋電路中為上橋臂提供浮驅(qū)電壓。典型接法如下圖所示，圖中紅框內(nèi)的二極管D及電容Cboot與主電路中半橋的下橋臂T1構(gòu)成電荷泵。當(dāng)半橋的下臂T1開通時，Vcc通過D與T1為電容Cboot充電;當(dāng)T1關(guān)斷T2導(dǎo)通時，Cboot為上臂T2提供MOSFET導(dǎo)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(dāng)T2導(dǎo)通時，如果忽略導(dǎo)通壓降Vds，T2的源極電壓Vs = Vr，所以如果想要飽和導(dǎo)通，加上T2門極上的驅(qū)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(shè)計要求，所以在此類應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。
