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標題: 電荷泵掃盲篇 [打印本頁]

作者: 51黑ren 時間: 2015-12-27 05:26
標題: 電荷泵掃盲篇
介紹功率MOS管的驅動時，提到一個電荷泵，用來提供高于VCC的電壓。這在馬達驅動器，開關電源驅動芯片經常用到。而且很多情況下，跨接電容需要單獨選擇。這時需要了解一些基本的內容。

1，原理
電荷泵的基本原理是，通過電容對電荷的積累效應而產生高壓，使電流由低電勢流向高電勢。(參考資料1)
最簡單的電荷泵：跨接電容A端通過二極管接Vcc，另一端B端接振幅Vin的PWM方波。當B點電位為0時，A點電位為Vcc；當B點電位上升至Vin時，因為電容兩端電壓不變，此時A點電位上升為Vcc+Vin。(參考資料2)
所以，A點的電壓就是一個PWM方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc。（假設二極管為理想二極管）（很簡單的電路，可以用Pspice模擬）
A點的方波經過簡單的整流，就可以作為驅動MOS管的電源了。

常見的馬達驅動器或者開關電源驅動芯片有一個引腳，通常叫做Vboost，推薦電路會在Vboost管腳和驅動管腳之間接上一個電容，這個電容就是上面介紹的跨接電容。二極管會接在Vcc與Vboost之間。
對于跨接電容，需要注意的是耐壓和容量。

2，計算（參考凌特LTC3240 DATASHEET）
通常對于電荷泵，最感興趣的是下面兩個指標：
1，輸出電壓。
理想情況下，輸出電壓最大值Voutmax=Vin+Vcc-Vf (Vf=二極管壓降)。

2，輸出電流。
經整流后得到的輸出電壓為Vout，可由公式算出Vout與最大可用輸出電流的關系(參考資料3，page8,9)：
Iout=(Vcc+Vin-Vf-Vout)*f*Cfly (f=PWM波頻率，Cfly=跨接電容值)
用來驅動MOS管時，因為此時相當于給電容充電，而電容充電瞬間相當于短路（輸出電壓為0），所以，我們用短路輸出電流來評價電荷泵：
Iout=(Vcc+Vin-Vf)*f*Cfly

上面兩個公式是理想情況下得出的。因為電荷泵的有效開環輸出電阻(參考資料3)存在，使得實際情況不是那么理想。所以在MOS管的驅動設計中，選擇跨接電容時一般要留有一半的余量。

3，應用
除了MOS管的驅動，電荷泵有時也用于相機的照明燈等設備，也有升壓，降壓，和產生負壓的電荷泵。當然因為有更高的要求，內部原理要比上面介紹的復雜得多，但是，萬變不離其宗，了解了電荷泵的基本動作原理，更復雜的電路也就不難了。

參考資料：
1，DC-DC電荷泵的研究與設計，<<通信電源技術 >>2004年05期，曹香凝
2，《晶體管電路設計》（下），鈴木雅臣，科學出版社
3，凌特LTC3240 DATASHEET

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