e小白網(wǎng)址：www.e-xiaobai.com

電荷泵(charge pump)又稱為電容式開關(guān)穩(wěn)壓器，在和基于電感的DC-DC開關(guān)電源相比較的時(shí)候，又稱之為無感式DC-DC電源變換器，電荷泵采用電容為儲能元件。DC-DC開關(guān)電源分類如下：

1.開關(guān)電容DC-DC轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)原理分析

近年來，智能手機(jī)的廣泛普及帶動(dòng)了便攜電子設(shè)備的飛快增長，人們對小型、低功耗電子產(chǎn)品的追求，促進(jìn)了集成電路飛速發(fā)展。對于應(yīng)用在便攜式設(shè)備的場合，具有集成度高的開關(guān)電容型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器優(yōu)于其他電源管理方案。開關(guān)電容DC-DC轉(zhuǎn)換器又常稱為電荷泵開關(guān)電源，只采用電容作為儲能元件，通過電容的周期性充電和放電來轉(zhuǎn)移能量，即通過周期性地搬運(yùn)電容上的電荷來輸送功率。

1.1下圖為一1/2轉(zhuǎn)換比開關(guān)電容DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

五個(gè)開關(guān)S1-S5和兩個(gè)電容C1、C2共同組成了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換部分，且兩個(gè)電容值大小相等C1=C2=C，f1、f2是兩組波形相反的驅(qū)動(dòng)信號，驅(qū)動(dòng)信號f1控制開關(guān)S1和S5，驅(qū)動(dòng)信號f2控制開關(guān)S2、S3、S4。輸出端由負(fù)載電容CL與負(fù)載電阻RL組成。

可通過分析該電路的穩(wěn)態(tài)特性來分析該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換比，穩(wěn)態(tài)特性指的是電容通過有限個(gè)周期進(jìn)行充放電操作后，該電路的輸出電壓將趨于穩(wěn)定。

當(dāng)f1為高電平、f2為低電平時(shí)，開關(guān) S1、S5導(dǎo)通，S2、S3、S4斷開，輸入電壓Vin為兩個(gè)電容充電，電路為充電模式，電容C1、C2通過串聯(lián)的方式接至輸入電壓Vin，且左側(cè)通路與右側(cè)的負(fù)載通路斷開，此時(shí)負(fù)載電容CL為負(fù)載提供負(fù)載電流，Vout緩慢下降，有：

由于C1=C2，所以：

當(dāng)f1為低電平、f2為高電平時(shí)，開關(guān)S1、S5斷開，S2、S3、S4導(dǎo)通，此時(shí)電路處于放電模式，電容C1、C2并聯(lián)之后經(jīng)過開關(guān)S4與輸出負(fù)載電容CL相連，電容C1、C2將存儲的電荷轉(zhuǎn)移到負(fù)載電容CL中，輸出電壓上升，有：

當(dāng)充電模式輸出電壓的下降量等于放電模式輸出電壓的上升量時(shí)，可視為電荷泵電路已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號頻率足夠高或者輸出電容CL足夠大時(shí)，輸出電壓Vout的變化量很小，此時(shí)電路有著穩(wěn)定的直流輸出，即實(shí)現(xiàn)了1/2倍壓轉(zhuǎn)換的目的。

1.2傳統(tǒng)升壓電荷泵電路的工作原理

如下圖所示，升壓電荷泵由四個(gè)PMOS管，飛電容Cfly，輸出穩(wěn)壓電容Cout組成。

其中四個(gè)PMOS管的柵極接入對應(yīng)的時(shí)鐘信號，如下圖所示。

根據(jù)時(shí)鐘信號的不同，PMOS管的工作狀態(tài)在線性區(qū)和截止區(qū)交替變化，PMOS管可以等效成開關(guān)，從而可以根據(jù)時(shí)鐘信號的不同，等效成下圖。

CLK1和CLK2為兩相非交疊時(shí)鐘，一個(gè)時(shí)鐘周期是由t1、t2、ts 組成，其中ts為死區(qū)時(shí)間。當(dāng)時(shí)鐘位于t1階段時(shí)，CLK1處于低電平，CLK2處于高電平。此時(shí)M1、M4處于線性區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。M2、M3處于截止區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。整個(gè)電路的狀態(tài)為電源Vin為飛電容Cfly進(jìn)行充電。此時(shí)如果忽略處于線性區(qū)MOS 管的導(dǎo)通電阻及外接負(fù)載，A點(diǎn)的電壓為VA=Vi，B點(diǎn)的電壓VB=0，Vf為Cfly兩端的壓差，此時(shí)Vf為：

當(dāng)時(shí)鐘位于t2階段時(shí)，CLK1處于高電平，CLK2處于低電平。M1、M4處于截止區(qū)，M2、M3處于線性區(qū)。整個(gè)電路的狀態(tài)是飛電容Cfly為輸出穩(wěn)壓電容Cout充電。此時(shí)如果忽略處于線性區(qū)MOS管的導(dǎo)通電阻及外接負(fù)載，因?yàn)殡娙輧啥说膲翰畈荒馨l(fā)生突變，VB=Vin，所以：

當(dāng)時(shí)鐘位于ts階段時(shí)，CLK1、CLK2都處于高電平，保證四個(gè)PMOS都處于截止區(qū)。如果兩相時(shí)鐘控制信號不含有死區(qū)時(shí)間，那么在時(shí)鐘信號發(fā)生跳變時(shí)，由于MOS開關(guān)管寄生電容的存在，MOS開關(guān)的工作狀態(tài)無法隨時(shí)鐘信號的變化而迅速發(fā)生變化，這樣電路可能會存在開關(guān)管全部導(dǎo)通的狀態(tài)，飛線電容和輸出穩(wěn)壓電容就存在對地通路，造成電荷的泄露。而在時(shí)鐘控制信號中加入死區(qū)時(shí)間即使用兩相非交疊時(shí)鐘控制電路，可以避免這個(gè)問題的發(fā)生。

1.3反壓電荷泵電路

反壓電荷泵電路的工作原理、結(jié)構(gòu)組成與升壓電荷泵基本相同，如下圖所示，反壓電荷泵由M1、M2、M3、M4共四個(gè)PMOS管組成，Cfly為飛線電容，Cout為輸出穩(wěn)壓電容。

CLK1和CLK2為兩相非交疊時(shí)鐘如下圖，一個(gè)時(shí)鐘周期由t1、t2和ts組成。

根據(jù)時(shí)鐘信號的不同，PMOS管的工作狀態(tài)在線性區(qū)和截止區(qū)交替變化，PMOS管可以等效成開關(guān)，從而可以根據(jù)時(shí)鐘信號的不同，等效成下圖。

當(dāng)時(shí)鐘周期位于t1時(shí)刻時(shí)，CLK1處于低電平，CLK2處于高電平。M1、M3處于線性區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。M2、M4處于截止區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。如果忽略處于線性區(qū)MOS管的導(dǎo)通電阻及外接負(fù)載，Cfly上級板A點(diǎn)的電壓VA=Vin，Cfly下級板B點(diǎn)的電壓VB=0，Cfly兩端的壓差為：

當(dāng)時(shí)鐘周期位于t2時(shí)刻時(shí)，CLK1處于高電平，CLK2處于低電平。M1、M3處于截止區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。M2、M4處于線性區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。如果忽略處于線性區(qū)MOS管的導(dǎo)通電阻及外接負(fù)載，Cfly上級板A點(diǎn)電壓VA=0，因?yàn)轱w電容Cfly兩端的壓差Vf不能發(fā)生突變，所以此時(shí)Cfly下級板B點(diǎn)的電壓即輸出電壓為：

2.其他電荷泵電路結(jié)構(gòu)

2.1 Cockcroft-Walton電荷泵

最早被提出來的電荷泵架構(gòu)是Cockcroft-Walton電荷泵，是由兩位物理學(xué)家JohnDouglas Cockcroft和 Ernest Thomas Sinton Walton提出來的，因?yàn)榱Ｗ蛹铀倨髦行枰獙?shí)現(xiàn)大于800000V的高壓，而正是有了該電荷泵的幫助，才能夠達(dá)成這一目標(biāo)電壓，幫助他們獲得了1951年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

Cockcroft-Walton電荷泵系統(tǒng)的簡化電路原理圖如下圖所示，原理圖的左邊是三個(gè)串聯(lián)的電容CA、CB和CC，這幾個(gè)電容大小相等均為C，電容CA與電源Vin連接。兩個(gè)波形相反的方波信號控制開關(guān)交替導(dǎo)通，當(dāng)方波信號為高電平時(shí)，相對應(yīng)的開關(guān)會閉合。在方波信號CLKA為高電平時(shí)，電容C1和CA并聯(lián)在一起，同時(shí)被充電至電源電壓Vin。而在下一個(gè)方波信號CLKB為高電平時(shí)，電容C1和CB并聯(lián)在一起，這時(shí)電容C1會把上個(gè)周期存儲的電荷共享給電容CB，根據(jù)電荷共享原理，如果C1與CB的大小相等，那么兩個(gè)電容的電勢差相同均為Vin/2。當(dāng)方波信號CLKA高電平到來時(shí)，C2和CB兩個(gè)電容并聯(lián)，因?yàn)殡娙軨B的電勢差是Vin/2，同樣根據(jù)電荷共享原理，在兩個(gè)電容大小一樣的情況下，它們的電壓差同時(shí)變成Vin/4，此外，電容C1又會再次被輸入電壓充電至Vin。電容經(jīng)過多個(gè)周期的充放電之后，電壓在多個(gè)電容之間持續(xù)疊加，最終輸出電壓將會達(dá)到輸入電壓的三倍，即3Vin完成升壓操作。

在集成電路中一般不使用Cockcroft-Walton電荷泵，該電荷泵目前主要應(yīng)用在需要提供極高電壓的設(shè)備上，例如X射線管(X-ray Tube)、粒子加速器和一些靜電設(shè)備。

2.2 Dickson電荷泵

一般認(rèn)為Dickson電荷泵是最早的可集成于片上的電荷泵電路，它克服了Cockcroft-Walton電荷泵的缺陷，Dickson電荷泵占用面積小且易集成于片上。它和Cockcroft-Walton電荷泵的工作原理類似，不同點(diǎn)在于Dickson電荷泵中的電容和開關(guān)器件是并聯(lián)關(guān)系，而Cockcroft-Walton電荷泵中的電容和開關(guān)器件則是以串聯(lián)方式連接。由于采用并聯(lián)方式，Dickson電荷泵中泵升電容兩端的電壓大大增加，但在實(shí)際運(yùn)行過程中該電壓并不會影響電荷泵的器件和性能。一開始Dickson電荷泵中的開關(guān)器件還是使用二極管，后來多用互補(bǔ)型金屬氧化物場效應(yīng)管(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)來代替二極管作為開關(guān)器件使用。

開關(guān)器件為二極管的Dickson電荷泵如下圖所示，兩個(gè)波形相反的時(shí)鐘信號控制電荷泵，設(shè)方波信號的電壓幅值為Vclk，圖中已標(biāo)出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓，二級管作為開關(guān)使用保證了電流只能從電源流向負(fù)載。

例如Vn和Vn+1之間的節(jié)點(diǎn)電壓可表示為：

其中VD為二極管的導(dǎo)通壓降，電荷泵系統(tǒng)對負(fù)載供電時(shí)部分電荷從節(jié)點(diǎn)處流走導(dǎo)致的電壓下降，損失的這部分電壓即為VL，由于寄生電容的影響，V'clk指的是控制信號在節(jié)點(diǎn)處的電壓實(shí)際值，該電壓為寄生電容和泵升電容對控制信號電壓幅值的分壓，如下式所示：

其中C和Cs分別為泵升電容值和寄生電容值。在每個(gè)信號周期內(nèi)，負(fù)載從電荷泵中得到的電荷量QT為：

f為控制信號的頻率，穩(wěn)定工作后負(fù)載從電荷泵索取的電流為：

對于一個(gè)N級Dickson電荷泵，其輸入電壓就是電源電壓Vin，那么輸出電壓與輸入電壓的壓差為：

在實(shí)際電荷泵電路的設(shè)計(jì)中，為了防止輸出端的電荷回流，通常在輸出端增加一個(gè)二極管，但是由于二極管具有前向?qū)▔航?，所以最終Dickson電荷泵的輸出電壓表達(dá)式為：

從上式可以看出，因?yàn)橛卸O管導(dǎo)通壓降VD、寄生電容Cs和輸出電流Iout的存在，所以其輸出電壓較不帶負(fù)載時(shí)的理論值要小得多，二極管上損失了大量的電壓，并且電荷泵的級數(shù)越多，損失的電壓就越多，同時(shí)也會拉低電荷泵的效率。除此之外，還能夠發(fā)現(xiàn)雖然輸出電壓會隨著Dickson電荷泵級數(shù)的增多而變高，但是輸出電流并不會隨著級數(shù)增多而變大，所以Dickson電荷泵對負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力與電路本身的級數(shù)無關(guān)

當(dāng)電荷泵輸出端帶負(fù)載時(shí)，電荷泵的輸出電壓中就會存在紋波，設(shè)外接電容為Cout，輸出端負(fù)載為RL，則輸出電壓紋波Vripple的表達(dá)式為：

從上式可見，在已知負(fù)載大小的情況下，輸出電容值越大，電荷泵輸出電壓的紋波則越小，但是隨著電容值的增加芯片面積也會增大，同時(shí)還會延長電荷泵的升壓時(shí)間。

2.3交叉耦合電荷泵

交叉耦合開關(guān)電容電荷泵是一種很好的選擇，早期多是轉(zhuǎn)換比為×2的升壓電路結(jié)構(gòu)；后經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)衍生出很多高性能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)擁有更大的電壓轉(zhuǎn)換比，系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換效率也更高。下圖為一種轉(zhuǎn)換比×2的交叉耦合電荷泵。

該電荷泵系統(tǒng)通常用在低電源電壓的設(shè)備中，它由四個(gè)PMOS管、四個(gè)NMOS管、兩個(gè)電容C1、C2(C1=C2)以及一個(gè)負(fù)載電阻R、負(fù)載電容C構(gòu)成，其中PMOS襯底接電源、NMOS襯底接地，從而避免閂鎖效應(yīng)。此外還有兩組相位相反的時(shí)鐘信號Phase1、Phase2。

電路的具體工作原理為：當(dāng)Phase1為高電平時(shí)，NMOS管NM1、NM3導(dǎo)通，并將電容C1兩端電壓充至輸入電壓Vin，當(dāng)Phase1轉(zhuǎn)換為為低電平時(shí)，PMOS管PM1、PM3導(dǎo)通，電容與輸入電壓Vin為串聯(lián)關(guān)系，負(fù)載電容C被充至2Vin；至此完成對輸入電壓的倍增，所以交叉耦合電荷泵又被稱為電壓倍增器。

電路的右半邊與左半邊工作原理一樣，電路左右兩邊交替為輸出電容C充電，這樣做的好處是等效的時(shí)鐘頻率為2fcLk，所以在輸出電容持續(xù)為負(fù)載R供電的過程中，輸出電壓不會出現(xiàn)明顯下降，且輸出電壓Vout的紋波較小。交叉耦合電荷泵相較于Dickson電荷泵的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是：電路當(dāng)中均是MOS管充當(dāng)開關(guān)器，而不是把二極管當(dāng)做開關(guān)來使用，MOS管的導(dǎo)通壓降相較于二極管低得多，所以得到的輸出電壓也就更大，電荷泵系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換效率也會提高。

2.4四相時(shí)鐘電荷泵

采用非交疊時(shí)鐘的四相位電荷泵如下圖所示。

(1)時(shí)鐘信號F3為高電平，時(shí)鐘信號F1、F2、F4為低電平，Mc2管開啟；

(2)時(shí)鐘信號F1、F3為高電平，時(shí)鐘信號F2、F4為低電平，時(shí)鐘信號F1的高電平與電容C1串聯(lián)通過晶體管Mc2管為電容CG2充電，逐漸抬高M(jìn)2管的柵極電位，M2管的柵極與漏極電位逐漸一致；

(3)時(shí)鐘信號F2、F3、F4為低電平，F(xiàn)1仍然為高電平，Mc2管關(guān)閉，M2管的柵漏極斷開連接，同時(shí)，因?yàn)镕3轉(zhuǎn)為低電平導(dǎo)致M2管源極電壓變低，M2管而開始導(dǎo)通；

(4)時(shí)鐘信號F1、F2為高電平，F(xiàn)3、F4為低電平，F(xiàn)2的高電平與已經(jīng)充過電的電容CG2串聯(lián)達(dá)至更高的電位，M2管的柵極電位被抬高，其柵極電位遠(yuǎn)高于漏極，F(xiàn)1的高電平與電容C1上的電位疊加通過M2管將電荷轉(zhuǎn)移至源端。沒有了閾值損耗，使得電容C1能夠提供更大的充電電流為電容C2和電容CG3充電；

(5)時(shí)鐘信號F2、F3、F4為低電平，時(shí)鐘信號F1仍然為高電平，M2管柵端電壓低于漏端電壓開始被關(guān)斷；

(6)時(shí)鐘信號F1、F3為高電平，時(shí)鐘信號F2、F4為低電平，Mc2管導(dǎo)通，M2管的柵極與漏極電位逐漸一致，使M2管能迅速截止；

(7)時(shí)鐘信號F1、F2、F4為低電平，時(shí)鐘信號F3為高電平，M2管迅速截止并由于Mc2管導(dǎo)通而使柵極與漏極處于同電位；

(8)時(shí)鐘信號F3、F4為高電平，時(shí)鐘信號F1、F2為低電平，M3管柵極電位高于源漏兩端電位M3管導(dǎo)通，電容C2通過M3管對電容C3進(jìn)行充電，在經(jīng)過一定周期后電荷被一級級傳送至輸出端。通過上邊分析可知，該電荷泵巧妙地通過提高開關(guān)管開啟時(shí)的柵壓來減小開關(guān)管的閾值損耗?？紤]到輸出電流的存在，N階四相位電荷泵的理論輸出電壓Vout為：

級數(shù)相同的四相電荷泵相較于Dickson電荷泵來說，該電荷泵的輸出電壓、轉(zhuǎn)換效率更高，同時(shí)輸出電壓的上升時(shí)間也比較短，此外還削弱了體效應(yīng)帶來的影響。但是缺點(diǎn)也很明顯，相較于普通的電荷泵多了兩組控制信號，這也額外增加了電路的復(fù)雜程度。