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電荷泵掃盲篇

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ID:99624 發表于 2015-12-27 05:26 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
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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