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电容式升压(为什么升压电路老升不上去)

张世龙2021年12月21日 00:43天道酬勤700

(正文约1500字,阅读约需5分钟)

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Hello先生,你好。 今天我们来讨论一下用于升压的电荷泵电路(Charge Pump )吧。 也称为开关电容器)。 从很久以前风扇就公开了关于由电感、电容、二极管构成的升压方式的文章,为什么有必要研究电荷泵方式的升压电路呢? 有什么好处呢? 为什么在实用上很少见到单独的电荷泵升压芯片呢? 为了解决这些问题,我们先来分析一下最简单的两倍电压电荷泵升压电路的工作原理。 对应的基本结构如下图所示。

VDD是输入供电电源,CF是杂散电容(浮动电容,默认情况下不与任何网络连接),CL是负载电容),开关S1~S4可以由场效应晶体管构成,它们是两个系统互补的交叉

假设在初始状态下,CF和CL都没有蓄积电荷,并且时钟为高电平时,对应的开关闭合,为低电平时,对应的开关断开。 到了时刻t1时,开关S1、S4闭合,S2、S3断开。 此时,VDD会对CF快速充电。 充满电后CF两端的电压为VDD,其极性为上正下负,VOUT中还没有电压。 请参照下图。

到了时刻t2时,开关S1、S4断开,S2、S3接通。 此时,VDD和CF两端的电压串联重叠,向VOUT供电,其值为2VDD,CL两端的电压也充电至2VDD。 请参照下图。

到达时刻t3时,从CL向VOUT提供2VDD的电压,VDD为了补充传送到CL的电荷持续对CF充电。 这是两倍电压电荷泵的基本原理。

当然,以上分析过程是在理想的条件下进行的,假设电容器的充电常数为0,放电常数无限大。 实际上,由于电源的内阻、开关导通电阻、负载等因素,CF和CL的充电速度总是有限的,并不是一瞬间就能给电容器充满电。 换言之,存储在CF中的电荷量随着时钟周期的增加而增加,从CF转移到CL的电荷也增加,由于损耗的存在,输出电压也达不到理想值。

让我们使用Multisim软件平台模拟一个双倍电压电荷泵电路。 对应的模拟电路如下图所示。 (VDD=5V、CF=CL=4.7uF、电源内部电阻为10欧姆、负载电阻为100k欧姆、频率为20kHz )。

负载RL两端的电压为电荷泵模拟电路的输出电压,对应的波形如下图所示。

可以看到,电荷泵电路在实际运行时,VOUT通常也需要与负载连接,因此在VOUT上升的期间总是定期地逐渐下降。 在CF充电中,CL总是因放电行为而下降,被称为纹波(ripple )。 理论上,CL的容量越大,VOUT的波动也越小。 这当然很棒,但CL的容量越大越会充放电

时间常数也会变大,这会降低电路的反应速度,因为输出需要更长的时间才能上升到所需电压。

电荷泵电路的缺点是带负载能力并不强(相对于BOOST架构),所以单纯的电荷泵芯片应用场合并不多,但是由于电荷泵方案不需要使用电感器,这在集成芯片中有非常大的优势。稍微了解集成电路制造工艺的粉丝都会知道,电感器是很难集成到芯片中的,所以电荷泵方案作为芯片中某部分功能的场合应用会非常多,最经典的集成电荷泵方案的芯片就是MAX232,它可以将TTL/CMOS电平(0V为逻辑“0”,5V为逻辑“1”)转换为RS232电平标准(+3V~+15V为逻辑0,-3V~-15V为逻辑1),具体来说是由两个电荷泵电路完成的,其中之一将+5V升压到+10V,另外一个则将+10V转换为-10V,后续有机会我们再结合数据手册详细讨论其电路设计过程。

电荷泵升压方案在LCD(或OLED、EPD,本文不涉及)驱动芯片中也很常见,主要用来给偏压电路提供高压或驱动电源,经典的SED1565、ST7920、PCD8544、SSD1773、ILI9341等等LCD驱动芯片都集成了电荷泵电路,下图为SED1565的电荷泵方案应用时的电路连接,可以实现2、3、4倍压。

级联多个2倍压电荷泵升压电路可以实现更高电压升压,但仅可以实现偶数倍升压,还有其它奇数倍升压、负向升压电路与集成电路内部实现方案,限于篇幅就不再讨论了,有兴趣的读者可以参考《显示器件应用分析精粹:从芯片架构到驱动程序设计》,其中已经有详尽系统的阐述,预计将在11月初出版,下图为最终确定的封面。

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