CN103441669B - 累加电荷泵 - Google Patents

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Abstract

累加电荷泵,属于电荷泵技术领域。解决MOSFET无源驱动电路从VDS取压的升压问题。初始化完成后,S4、D1因D1的反偏截止,该支路断开。先通过S1闭合将Ui缓冲到C1上,同时通过S3闭合将输出C3的电压反馈到C2上,这一过程中S2断开;然后通过S2闭合,S1、S3同时断开使C2串联C1给C3充电,实现对Ui电压的累加。每一个工作周期结束后各电容的电压为,U1=Ui,U2=U3-U1,U3=N×U1+U2,N即是开关周期数。应用于MOSFET的无源驱动电路、小功率升压型电荷泵等。

Description

累加电荷泵
技术领域
本技术属于电荷泵技术领域。
背景技术
在电容源的电容矩阵中,用MOSFET实现电容的串并联转换,使用有源的MOSFET驱动芯片就需要给每个驱动芯片加上电源,这使得MOSFET的应用很不方便。功率型MOSFET驱动的最小电压不低于10V,因为负载电流不确定性使MOSFET工作时的漏极-源极电压降不一致,从零点几伏到两三伏的都有,不同的漏极-源极工作电流其压降也不同。要实现无源的MOSFET驱动,驱动电路的电压就必须使用升压电路,将MOSFET的漏极-源极电压升压到10V以上,以供驱动电路工作使用。由于输入电压的可变性,使用现有的电荷泵模式输出无法达到要求。累加电荷泵能适应不同的输入电压:输出电压与输入电压的高低无关,只与稳压电路设定的输出电压值相关。
发明内容
累加电荷泵工作原理图,如图1。S1、S2、S3是累加工作时的开关管,S4、D1是电荷泵初始化时Ui给C3充电的电流通路,D1是防止反压二极管,C1是输入电容,C2是反馈电容,C3是累加电容。
初始化时,S4先闭合,给电容C3充电,充电值为输入电压减去二极管D1的压降。累加电荷泵的一个周期分为两个过程:第一个过程为S1、S3同时闭合且S2断开,S1闭合使C1充电到Ui的值,S3闭合使C2充电到C3的电压值;第二个过程为S1、S3同时断开且S2闭合,S1断开使C1与Ui隔离,S3断开使C2与C3隔离,S2闭合使C1与C2形成正向串联给C3充电,充电电压为C1与C2电压值的和。
设C1、C2、C3的初始化电压分别为U1、U2、U3i,二极管压降为UD,累加过程中C3的电压为U3。则第一个周期的第一个过程结束时,U1=Ui,U2=U3i,U3i=Ui-UD;第一个周期的第二个过程结束时,C3的电压值为U3=Ui+U3i。此时,二极管D1由于C3的电压值高于Ui而反偏截止,防止S4中有反向电流通过,S4开或关对电荷泵工作已经没有影响。第二个周期时,重复第一过程为S1、S3同时闭合且S2断开,S1闭合使C1充电到Ui,即U1=Ui,S3闭合使C3的电压值反馈到C2,则U2=U3=Ui+U3i;重复第二个过程为S1、S3同时断开且S2闭合,S1断开使C1与Ui隔离,S3断开使C2与C3隔离,S2闭合使C1与C2形成正向串联给C3充电,则U3=Ui+Ui+U3i=2Ui+U3i。……第N个周期结束时,C1的电压为U1=Ui,C2的电压为U2=(N-1)Ui+U3i,C3的电压值为U3=N×Ui+U3i。即工作过程中,C1的电压值始终都是输入电压Ui,C2的电压值在(N-1)Ui+U3i至N×Ui+U3i之间变化,C3的电压值U3=N×Ui+U3i。如果没有稳压控制,这个过程将会一直持续下去,直到电路的漏电流与输入电流达到平衡,C3的电压U3将不会再上升。
如果没有S4、D1给C3的初始化充电电压U3,累加电荷泵将不能完成累加工作。如图1,由于S1、S3断开S2闭合时,C1、C2、C3所组成的回路为串联回路,这个回路只有C1有电荷提供充电电流,C2充得下正上负的电压,C3充得上正下负的电压,当要进行反馈将C3的电压U3反馈到C2时,由于U2与U3的电压极性相反,C2与C3的电荷将会被中和,无法完成反馈,也就不会进行累加。
从以上分析可知,输出有调整电路控制C1的充电电压时,整个累加过程是可控的。当输出电压达到调整电路所预设的电压值时,调整电路开始控制开关S1的工作状态:改变S1的内阻或改变S1的工作频率,以达到输出电压不再累加Ui的满额值,或在一定工作周期数内累加Ui的个数减少,都能使输出电压不再上升,达到调整电路所预设的电压值。
附图说明
图1:累加电荷泵的原理图
图2:MOSFET无源驱动电路
图3:累加电荷泵的调频升压电路
具体实施方式
应用一、用累加电荷泵构成MOSFET的无源驱动电路。
MOSFET关闭时,为了尽量减小漏电流,要求无源驱动电路在MOSFET关闭期间,应该停止工作,只由电容存储的电荷维持被驱动MOSFET的关闭;而开通时,要迅速建立驱动电压电流,并且要提供持续的驱动电流维持MOSFET的可靠开通。
如图2是一个N_MOSFET的驱动电路。Vi是控制信号输入端,Vd、Vs、Vg分别接MOSFET的漏极D、源极S、栅极G。图2中用虚线分出了三部分:带稳压的累加电荷泵、方波振荡器、驱动输出级。其中,方波振荡器和驱动输出级的主体均由晶体管电桥构成。例如
驱动输出级的晶体管电桥由晶体三极管Q14、Q15、Q16、Q17和触发电流电阻R15、R16以及输入电阻R14组成,R15、R16为等值电阻。Q14、Q15的基极-射极是逆着电流方向并联的,任意时刻其中一只导通时,另一只将得到基极-射极的负压。比如Vi接Vs时,G点通过D4被接在Vs上,因Vg为Ui的中点电压,则E点电压低于Vg,形成触发电流路径:Ui、R15、Vg点、Q15基极-射极、E点、R14、G点,Q15因正向基极电流导通,Q14得到负向的基极-射极电压截止。Q15导通使Q17导通,Q17的集电极电流在Q15的基极形成基极电流的叠加,由此形成了Q15、Q17的正反馈过程,直到Q15、Q17均饱和,R15被Q17短路,Vg点直接由Q17驱动输出,Vd对Vs为N_MOSFET的导通压降;同时Q14的基极-射极负压使Q14、Q16所组成的正反馈可靠截止。当Vi对Vs开路时,D4失去正向电流截止,Q15、Q17因Q15基极-射极电流减小正反馈截止,Q16、Q17均不导通,Vg点电压重新回到以R15、R16分压的中点电压Ui/2,由于G点通过R13接在Ui上,则E点电压高于Vg点电压,形成触发电流路径:G点、R14、E点、Q14射极-基极、Vg点、R16、Vs,Q14因正向基极电流导通,Q15得到负向的基极-射极电压截止。Q14、Q16正反馈饱和,R16被Q16短路,Vg点直接由Q16驱动,Vd对Vs为N_MOSFET的开路压降;同时Q15的基极-射极负压使Q15、Q17所组成的正反馈可靠截止。由前分析知道这个晶体管电桥的特点:触发电流电阻R15、R16只需提供Q15、Q16的基极触发电流,输入电阻R14只需提供输出管Q16、Q17维持饱和的最小基极电流,在输出点Vg以正反馈形式翻转到Ui或Vs的过程中,不会有Ui对Vs短路的情况。
方波振荡器。
Vi接Vs且电容C没有电压时:由Q13、Q12、Q11、Q10以及电阻R11、R12、R组成的晶体管电桥的B点高于A点,该电桥翻转为Q13、Q11饱和Q12、Q10截止,B点电压等于Ui,A点电压低于B点一个PN结电压,A点通过R给C充电形成Q11的射极电流,维持B点电压等于Ui;当C的充电电流不能维持Q13的最小基极饱和电流时,Q13、Q11截止,由于C被充电到接近于Vg,A点高于B点,Q12、Q10饱和,B点电压等于Vs电压,C通过R放电形成Q10的射极电流,维持B点等于Vg。当放电电流不能维持Q12的最小基极饱和电流时,Q12、Q10截止,然后重复由于A点电压低于B点电压的过程,完成持续振荡过程。Q7、Q6、Q9、Q8以及电阻R9、R8、R10构成了一个反相器,由于C点受B点控制,使D点的电压输出相位与B点反相180度:B点为Ui电压时,C点高于D点使Q8、Q6饱和,D点由Q6驱动输出Vs电压;B点为Vs电压时,C点低于D点使Q7、Q9饱和,D点由Q7驱动输出Ui电压。
带稳压的累加电荷泵。
累加电荷泵。当B点接Ui、D点接Vs时:B点通过R5-R3和R6分别使Q2、Q5导通;D点通过R7使Q3截止。电容C1通过Q2的射极电流充电(D1是防止初始化时C1的过充),C3通过Q5将其电压反馈到C2形成对C2的充电电流。当B点接Vs、D点接Ui时:B点的Vs电压使Q2、Q5截止;D点通过电阻R7使Q3导通。C1、C2通过Q3形成串联向C3充电完成累加。此后重复这个过程。
稳压控制。当Vi接Vs时:由于Vg接在Ui上,当Vg使R1、R2的分压值让Q1导通时,F点的电压开始下降,Q2的基极电压被迫下降,由于C1的正极接在了Q2的射极,当C1要继续充高电压时Q2的射极电流就会减小,甚至处于微导通状态,从而限制C1的充电电压不是满额的Vd-Vs电压,使C1、C2串联向C3充电时,累加到电容C3上的电压被减小,限制C3上的电压进一步上升,起到稳压的作用。
当Vg为Vs电压时,R11和R9均没有触发电流,振荡器和反相器同时停止工作,累加电荷泵因没有开关脉冲也停止工作。
D4是防止Vi对Vs开路时,Q4的射极-基极通过R4、R14、Q14、Q16形成导通电流,造成非正常的MOSFET截止时的漏电流。振荡电路的振荡频率直接由RC决定。D3是防止Q4在MOSFET导通时有反向的集电极电流通过。Q1的集电极接在F点而不直接接在Q2的基极,因为R5、R3分压后的F点可以将Q2的基极电压调节到更细,使输出电压Ui有更小的纹波电压。采用调节C1充电电压幅度而不采用频率调节也是为了降低Ui的纹波电压。
Vd-Vs为MOSFET的导通电压且Q2导通时:由于B点电压高于Vd电压,C1的正极由于接在了Q2的射极,C1的电压是可以充电到比Vd电压高的,这会造成Q2有基极-集电极的反向电流。这可以通过设置工作频率解决:因为晶体管的基极-射极内阻总会比集电极-射极内阻大,并且由于电阻R5、R3的存在进一步加大了Q2的基极-射极电阻。Vd、Ui均是对电容C1充电,集电极-射极充电回路的时间常数要远小于基极-射极充电回路的时间常数,所以,只要控制适当的工作频率,反向的基极-集电极电流是可以控制的。由于MOSFET轻载时Vd-Vs压降很低,甚至会低于PN接的导通电压,所以采用射极充电的方式。可以有两个作用,一是初始化完成后,只要MOSFET开通有Vd-Vs压降,驱动电路就能正常工作,二是没有Q2射极-基极的反向高压造成Q2的发射结击穿。
当电荷泵的初始化完成后,MOSFET的关闭到开通的时间应小于电容C3放电到最低驱动电压的时间,以避免频繁的初始化造成输出Vg与输入Vi的不同步。
应用二:由累加电荷泵的调频方式构成的升压电路如图3。
这个电路将振荡器和反相器接在了输入端,它是在输入电压Ui相对稳定的条件下应用的,比如用一节1.5V的电池供电,它的输出可以设置到任意值,只要电池的电压高于一个PN结的导通电压,累加电荷泵就能完成升压工作。由晶体管电桥的结构看出只要Ui与GND之间的电压够一个PN结的饱和电压,振荡器就能正常振荡,反相器也能正常工作。
上电时,D1给电容C3完成初始化充电,Ui通过R7、Q11的基极-射极、电容C、电阻R给电容C充电,使Q9、Q11饱和同时使Q8、Q10截止,C的充电维持B点为Ui的电压,B点通过R8、Q6的射极-基极、R4使反相器形成Q6的基极触发电流,Q6、Q4饱和使C点维持低电压,同时Q5、Q7截止,反相器输出D点为GND的电压。B点的Ui电压使Q2导通,D点的GND电压使Q1导通Q3截止,电容C3的电压反馈到C2,电容C1充得Ui的电压。电容C的充电电流不能维持Q9、Q11饱和时,Q9、Q11翻转为截止,同时由于电容C已被充电到Ui,B点的电压比A点低,使Q8、Q10翻转为饱和,C的放电电流使Q8、Q10的饱和状态维持,B点输出GND的电压,C点通过R8被B点接在了GND上,反相器的D点输出Ui的电压;B点的GND电压通过R2使Q2截止,D点的Ui电压通过R1使Q1截止同时通过R3使Q3导通,电容C1、C2形成串联给电容C3充电。当振荡电容C的放电电流不能维持Q8、Q10饱和时,由于C放电使A点电压低于B点电压,输入Ui又通过电阻R7、Q11的基极-射极、电容C、电阻R给电容C充电,又形成对Q11基极的触发电流,此后重复振荡过程,使Uo的电压不断的累加输入Ui的值。
当R9、R10的分压点E点电压使Q12导通时,Q8的基极电流被Q12分流,Q8的集电极电流减小,Q10的基极电流减小,Q8、Q10的导通内阻增加,从而使整个放电路径:振荡电容C从A点、Q10、Q8、振荡电阻R、到电容C的负极的放电电阻增加,放电时间变长,B点维持GND电压的时间变长,D点维持Ui电压的时间变长,C1、C2串联向C3的放电时间变长,从而使放电电压更低,而充电时间常数没有变,这就间接的控制了充电最终电压的降低,从而达到使输出电压Uo恒定的效果。当输出电压Uo没有达到预设值时,控制电路的Q12是没有分流作用的。
输入采用PNP管没有反向基极-集电极电流的情况。由于输入没有高于输出的情况,所以这里没有使用图2中的Q4,图3中的D1只需要完成初始化后将输入输出隔离就可以了。C4是为了维持输出在一定的稳定范围内的,因为调频工作方式会使输出在Ui电压较高时输出有较大的纹波,采用C4使Q12的基极电压稳定,从而避免振荡器有频繁的共振现象,使输出不稳定。

Claims (1)

1.一种对输入电压进行累加的升压电荷泵,其特征在于:
该升压电荷泵包括:第一缓冲电容(C1),第一开关(S1)的一端连接在输入端(Ui),第一缓冲电容(C1)的一端和第二开关(S2)的一端均连接在第一开关(S1)的另一端,第一缓冲电容(C1)的另一端连接在公共端(GND);
第二累加电容(C2),第二累加电容(C2)的一端连接在输出端(Uo),第三开关(S3)的一端和第二开关(S2)的另一端均连接在累加电容(C2)的另一端,第三开关(S3)的另一端连接在公共端(GND);
第三输出电容(C3),第四开关(S4)的一端连接在输入端(Ui),第四开关(S4)的另一端连接在二极管(D1)的正极,二极管(D1)的负极连接在输出端(Uo),第三输出电容(C3)的一端连接在输出端(Uo),第三输出电容(C3)的另一端连接在公共端(GND);
其中,初始化时,第四开关(S4)先闭合,给第三输出电容(C3)充电,充电值为输入电压(Ui)减去二极管(D1)的压降;该升压电荷泵的一个周期分为两个过程,第一过程:第一开关(S1)、第三开关(S3)闭合,第二开关(S2)断开,第一缓冲电容(C1)得到输入电压(Ui),第二累加电容(C2)得到第三输出电容(C3)的电压;第二过程:第一开关(S1)、第三开关(S3)断开,第二开关(S2)闭合,第一缓冲电容(C1)与第二累加电容(C2)正向串联将输入电压(Ui)累加到第三输出电容(C3)。
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