电荷泵设计指南

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1、设计指南 Q&A 系列: 电荷泵 上网时间：2006年 05 月 26 日Sam Davis 著电荷泵主要有哪些应用？ 在过去的十年了，电荷泵得到了广泛运用，从未调整单输出 IC 到带多输出电压 的调整IC。输出功率和效率也得到了发展，因此现在的电荷泵可以输出高达 250mA的电流，效率达到75%（平均值）。电荷泵大多应用在需要电池的系统，如 蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。主要应用包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器（如图）。电荷泵如何工作？电荷泵（开关电容）IC通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容供电或断 电来进行 DC/DC 电压转换。基本电荷泵开关

2、网络不断在给电容器供电和断电这 两个状态之间切换。C1（充电电容）传输电荷，而C2（充电电容器）则储存电荷并过 滤输出电压。额外的“快速电容”和开关阵列带来多种好处。电荷泵有哪些工作模式？电荷泵IC可以用作逆变器、分路器或者增压器。逆变器将输入电压转变成一个 负输出。作为分路器使用时，输出电压是输出电压的一部分，例如1/2或2/3。 作为增压器时，它可以给I/O带来一个1.5X或者2X的增益。很多便携式系统都 是用一个单锂离子电池或者两个金属氢化物镍电池。因此当在2X模式下运行时, 电荷泵可以给一般在3.3V到4.0V的范围内工作的白光LED供应适当的正向电 压。电荷泵的输出电压经过调节吗？基

3、本电荷泵缺少调整电路，因此实际上所有当今使用的电荷泵 IC 都增加线性调 整或者电荷泵调制。线性调整的输出噪音最低，并可以在更低的效率情况下提供 更好的性能。而由于调整IC没有串联传输晶体管，控制开关电阻的电荷泵调制 就可以提供更高的效率，并为一个给定的芯片面积 （或消耗）提供更多的输出电 流。电荷泵的主要优势是什么？电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。但是，仍然有一个可能 的微小噪音源，那就是当快速电容和一个输入源或者另外一个带不同电压的电容 器相连时，流向它的高充电电流。同样的，“分路器”电荷泵也能在LDO上改进 效率，但又不会像感应降压调整器那样复杂。电荷泵的输出电压和它的

4、输入电压适配吗？ 电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，它在 1.5X 或 1X 的 模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入 电压的 1.5 倍的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵则在 1X 模式下运行， 此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候 降低了输入电流和功率损耗。增加电容的开关频率会发生什么变化？增加开关频率也就增加了 IC的静态电流，但是也同时降低了 C1和C2的电容值。 常态频率结构提供低噪音调整输出电压，同时其输入噪音也比传统的电荷泵调节 器要低。高频率操作简化了过滤，从而进一步降低了传导噪音。哪些

5、电容器最适用于电荷泵？要实现最优的性能，就要采用带低等效并联电阻(ESR)的电容器。低ESR电容器 须用在 IC 的输出上，来将输出波纹和输出电阻最小化，并达到最高的效率。陶 瓷电容器就可以做到这一点，但是某些钽电容器可能要比较合适一点。电荷泵软启动将带来什么效应？软启动可以在启动时阻止在 VIN 出产生过多的电流流量，从而增加了可定期用 于输出电荷储存电容器的电流量。软启动一般在设备被关机时激活，并在设备获 得调整之后立刻屏蔽。电荷泵IC如何将功率消耗最小化？通过运用脉冲频率调制， IC 只有在当电荷必须传输出去来保持输出调节的时候 才产生电荷。当输出电压高于目标调节电压时， IC 是闲置的

6、，此时消耗的电流 最小，因为储存在输出电容器上的电荷会提供负载电流。而随着这个电容器不断 放电以及输出电压逐渐降到目标调节电压一下，电荷泵才会激活并向输出传输电 荷。这个电荷供给负载电流，并增加输出电容器上的电压。作者：Sam Davis，特约编辑线性稳压电源、开关稳压电源和电荷泵电源的区别根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源及电 荷泵电源。它们各自都有一定的特点及适用范围。线性稳压电源线性稳压电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠 调整管之间的电压降来稳定输出。线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范 围而得名。 该类电源优点是稳定性高，纹波小，

7、可靠性高、外围元件最少、输出噪声最小、 静态电流最小，价格也便宜。缺点是一般认为线性稳压电源的输入电压与输出电 压之间的电压差（一般称为压差）大，调整管上的损耗大，效率低。但近年来开发出各种低压差（LDO）的新型线性稳压器IC, 一般可达到达 输出 100mA 电流时，其压差在 100mV 左右的水平（甚至于到 70-80mv 的水平）， 某些小电流的低压差线性稳压器其压差仅几十毫伏。这样,调整管的损耗较小, 效率也有较大的提高,因此可延长电池的 寿命。开关稳压电源与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源,它的电路型式 主要有单端反激式,单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性

8、电源的根 本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不 是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。DC/DC是开关稳压 电源中的一种。开关电源的优点是效率高（可以达到 8095%）、稳定可靠；缺点相对于线性电 源来说成本较高、纹波较大（一般W1%VO（P-P），好的可做到十几mV（P-P）或更 小）。电荷泵电荷泵有三类：开关式调整器升压泵、无调整电容式电荷泵和可调整电容式 电荷泵。三类电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量， 以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电荷泵 采用电容器。电荷泵器件占用的空间要小得多，

9、似乎是大型厂商的首选。它们受到青睐， 除了可以用于不同的应用以外，还有一个间接的原因就是人们认为基于电感的功 率源可能带来不可克服的 EMI 问题。在便携式产品中，常常利用低压差线性稳压源（LDO）将5V主电源转换DC-DC 电荷泵的研究与设计作者:曹香凝，汪东旭，严利民日期:2004-10-27文章编号：1009-3664（2004） 05-0014-03DC-DC 电荷泵的研究与设计曹香凝，汪东旭，严利民（上海大学微电子中心微电子与固体电子学，上海 2000720）摘要：以Dickson电荷泵的基本原理出发点，研究了一种将正电压输入转为负电 压输出的开关电容电路。由于开关电容的充放电特点，

10、为确定电容时间常数，采 用非交叠（nonoverlapping）时钟控制信号避免了由于时钟交叠而造成的当电容 充电还未完成即对下一级电容进行放电的现象。同时，参考功率 MOSFET 的电 容模型通过增大驱动电路的电流减小了开关管的上升延时，提高了开关动作的速 度，使转换效率得到明显提高。此电路结构简单，性能优良，易于集成，可广泛 应用于输出负电压的电源产品中。关键词：功率MOSFET；开关电容；电荷泵；转换率中图分类号： 文献标识码：Research and Design of DC-DC Charge PumpCAO Xiang-ning，WANG Dong-xu，YAN Li-ming(S

11、hanghai SHU Multi-chip Electronic Co., Ltd. Shanghai University, Shanghai 200072，China)Abstract ： In this paper we have developed a kind of charge pump, which can transform the positive voltage into the negative one according to the principles of Dickson charge pump. Because of the features of switc

12、h capacitor we should adopted nonoverlapping clock signal if we want to guarantee charge completely through the switching of power MOSFET. Furthermore, the drive currents of MOSFET have been improved to decrease the switching time and improve the efficiency of transform. Key words： power MOSFET, swi

13、tch capacitor, charge pump, transform efficiency 0 引言 电源是电子设备的心脏部分，其质量好坏直接影响电子设备的可靠性。随着电子 技术的不断发展，功耗、体积及转换效率等要求的不断提高，开关电容技术在电 源中得到了越来越广泛的应用。开关电源对频率要求高，这样动态响应才快，才 能更好地配合高速微处理器的工作。同时采用开关电源技术也是减小体积的重要 途径之一，因为电器产品的体积重量与其供电平率的平方根成反比，所以当把频 率从工频 50 Hz 提高到 20 kHz 时，用电设备的体积重量大体上降至工频设计的 510%。又由于功率MOS管具有快速开启、关

14、断的特点，从而可以满足高速 开关动作的需求，这正是开关电源实现变频带来明显效益的基本原因。单片开关 电源采用电荷泵技术通过功率 MOS 管控制电容的充放电来实现电压的转换，从 而极大地缩小了电源体积，提高了转换效率，具有高集成度、高性价比、最简外 围电路、最佳性能指标等优点，一般说来其重量是线形电源的 1/4，体积是其 1/3。 本文从电荷泵的基本原理1出发，设计开发了一种负电压电荷泵，详细分析了 它的工作原理，并在基本模型的基础上针对开关速度以及功耗和转换率等方面提 出了一定的改进。2 Dickson 电荷泵基本原理 最早的理想电荷泵模型是 J. Dickson 在 1976 年提出的，其基

15、本思想就是通过电 容对电荷的积累效应而产生高压使电流由低电势流向高电势，当时这种电路是为 了提供可擦写 EPROM 所需要的电压。后来 J. Witters, Toru Tranzawa 等人对 J . Dickson 的电荷泵模型进行改进，提出了比较精确的理论模型，并通过实验加以 证实提出了一些理论公式。随着集成电路的不断发展，基于低功耗、低成本的考 虑，电荷泵在集成电路中的应用越来越广泛了。图1为简单的倍压型(m ultiplier charge pump)开关电源的基本原理图1。图 1 四阶 Dickson 电荷泵原理图当 Uf 为低电平时， MD1 管导通，输入电压 uin 对与结点

16、1 相连的电容进行充电， 直到结点 1 的电压为 Uin-Utn(Utn 为 NMOS 管的阈值电压)；当 Uf 为高电平时， 结点1的电压变为Uf+Uin-Utn,此时MD2导通，对与结点2相连的电容进行充 电，直至结点2的电压变为Uf+Uin-2Utn； Uf再度变为低电平，结点2上电压为 2Uf+Uin-2Utn ；如此循环，直到完成四级电容的充放电，可以推得输出电压： Uout=Uin+4 (Uf-Utn)-Utn由此可以得到对于N阶倍压电荷泵的电压增益为：Uout=Uin+N(Uf-Utn)-Utn(1)但在实际电路中由于Uf受到开关管寄生电容Cs的影响，其真实值应为Uf=(C/(C

17、+Cs)xUf(2)将(2)式代入(1)式可得Uout=Uin+N(C/(C+Cs)xUf-Utn)-Utn (3)当考虑负载后，由于负载会从电路中抽取电流lout，当时钟f的频率为fosc时， 负载上具有NIout/(C+Cs)fosc)大小的压降，代入式得到输出电压 Uout=Uin+N (C/(C+Cs)xUf -Iout/(C+Cs)fosc-Utn)-Utn (4) 对于 Dickson 型电荷泵，单级电压增益GV=UN-UN-1=( C / ( C + Cs ) )xUf- Iout / ( C + Cs ) fosc)- UtnDickson倍压电荷泵需要满足很重要的一个条件就是

18、(C/(C+Cs) X Uf-Utn-Iout/(C+Cs)fosc) 0由于该式与 N 无关，故而从理论上来说，电压可以通过倍压泵放大从而得到理 想的电压值。3 Dickson 电荷泵模型的推广由Dickson电荷泵理论可以推广得到产生负电压的开关电容电路，如图2所示。 图 2 负压电荷泵原理图其基本原理与Dickson电荷泵是一致的，但是利用电容两端电压差不会跳变的特 性，当电路保持充放电状态时，电容两端电压差保持恒定。在这种情况下将原来 的高电位端接地，从而可得到负电压输出。由原理图分析可知，当时钟信号为高 电频时功率开关管S1、S2同时导通，S3, S4同时关断，UIN对电容CFLY进

19、行 充电，Ucap+=UIN-Utp-Utn (Utp 为 PMOS 管的域值电压)，Ucap-= Utn；当时钟 信号为低电频时S1、S2关断，S3，S4同时导通，CFLY上存储的电荷通过S3, S4传送到Cout 上,由于Cout高电位端接地，故输出端UOUT= (UIN-Utp)。当 考 虑 负 载 后 ， 由 于 负 载 会 从 电 路 中 抽 取 电 流 Iout， 负 载 上 具 有 -Iout/(C+Csn+Csp)fosc) (Csn 和 Csp 分别指 NMOS 和 PMOS 的寄生电容)大小 的压降，输出电压UOUT= (UIN-Utp-Iout/(CFLY+Csn+Csp

20、)fosc) -Iout/(COUT+Csn+Csp)fosc)( 5)4 对输出为负电压电荷泵的改进功率MOSFET作为开关管的特点图2中的S1、S2、S3、S4采用功率MOS管器件，功率MOSFET是压控元件，具 有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点。功率场效应管(MOSFET) 由于是单极性多子导电，显著地减小了开关时间。但是对于MOS管来说决定开 关速度的因素有二：一是开关电容的导通电阻，二是充放电电容的大小，为了获 得较高的采样速度需要采用大宽长比的器件(采用大尺寸的功率MOS管)和较 小值的电容。然而栅极的驱动速度在很大程度上也决定了功率 MOSFET 的开关 速度,这就

21、需要提供具有高速驱动能力的电路来满足这一要求。为了减小开关时 间，对 MOS 管的驱动电路进行一定的改进。实际应用中功率 MOSFET 的输出 级还要带负载,因此影响开关速度的大小不光有驱动速度的问题,还有输出负载大 小的问题。 功率 MOSFET 驱动特性分析功率 MOSFET 的极 间电容 较大 ，其等效 电路如图 3 所 示3, 输入电 容Cin=CGS+CGD，输出电容COUT=CDS+CGD, CGD作为反馈电容。图 3 功率 MOSFET 极间电容等效电路开关管开通延迟时间 td=-CinRonln|1-UGS/UGG|上升时间tr=2.2Ron（Ciss+（l-A）Cgd），其中

22、A为与 UDS/AUGS相关的系数。 整个开通时间 ton=td+tr（6）由于Ron=UGS/IOM为开关管的导通电阻，代入式（6）可得：（ 7 ）由（7）式可知，开关的导通速度与通过开关的电流大小成正比，电流越大，ton越 小，开关的速度越快。为提高MOSFET管的驱动速度，要求驱动电路：a）能够提供足够大的驱动电流 , 即驱动电路的充电电阻要充分小 , 以缩短导通 时间。b）具有足够的泄流能力， 即放电电阻要充分小，以提高开关管的关断速度。 根据以上要求，考虑到由于三极管的导通电阻小的特点，并且对管互补作用消除 了少数载流子存储时间的影响，可以达到很高的驱动速度，因此采用互补对称型 射极

23、输出器（图4）来驱动功率MOS开关管。图 4 互补跟随电路该驱动电路利用V4、R1、R2组成模拟电压源，产生正向偏压，使其值等于或稍 大于导通电压，只要有信号输入， Rl、 R2 即可轮流导通，克服了互补对称管必 然存在的交越失真现象。忽略V4的基极电流IB4，可得，（其中，UBE4为双极 型晶体管V4的基射极电压），通过调整R1与R2的比值来调整偏压值的大小。5 时钟控制信号 为了提高 MOS 管的开关速度，我们来考察一下电容两端电压与时间的关系 从而确定最小时钟周期，减小功耗，提高转换效率。在不考虑沟道调制效应的前提下，电容在放电过程中所产生的电压输出与时间的 关系：VOUT= （8）其中

24、t1为充电过程中MOS管从饱和导通到进入线性区的时间是一个和工艺有关 的常数。充电过程的输出电压和时间的关系：VOUT=VDD-VTH- （9）、（9）两式中VDD是电源电压，VTH指开关管的阈值电压，口 n为电子迁移 率， Cox 是单位面积的栅氧化层电容， W 和 L 分别指开关管的宽和长。两式明 确了输出电压的比例关系，从而确定了时钟频率。 为了避免电容在没有完全充放电时即进入相对工作状态影响导通时间的准确 性及对开关管性能的影响采用非交叠时钟信号。图 5 即为非交叠时钟的产生电 路，CLK为原始的时钟信号，1和2为相位相反的非交叠时钟信号。图 5 非交叠时钟发生器原理图6 仿真结果本文

25、介绍的电路工作频率为150KHz,输入电压范围2v5.5v,采用Cadence IC 5.0 的仿真工具SPECTRE在贝岭1 口 P阱工艺下得到的电路仿真波形如图6所示。由仿真结果可知输出基本达到了预定要求-3V,误差不超过0.09V。 小结 本文介绍了一种采用开关电容技术产生负电压的电荷泵电路，通过对其工作原理 的分析找到一系列改进性能的切口。同时通过提高MOS管的驱动，提高了开关 管的速度，增强了电路的稳定性及转换效率，实践证明这一电路是很有使用价值 的。参考文献：1 JOHN F DICKSON. On chip High-Voltage Generation in MNOS Inte

26、grated Circuits Using an Improved voltage Multiplier Technique. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, JUNE 1976:3742 Toru Tanzawa and Tomoharu Tanaka. A Dynamic Analysis of the Dickson Charge Pump Circuit. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, AUGUST 1997;VOL.32: 12313 张立等. 现代电力电子技术. 科学出版社. 1995 作者简介：曹香凝（1980-），女，汉族，籍贯：安徽省，上海大学微电子与固体 电子学 2002 级硕士研究生，主要从事模拟集成电路的设计。