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负压电荷泵的工作原理

发布时间:2015-12-15 08:50:13  来源:大电流电感厂家   查看:

由Dickson电荷泵理论可以推广得到产生负电压的电荷泵电路,负压电荷泵的工作原理如图1所示。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,电容两端的电压差将保持恒定。在这种情况下将原来的高电位端接地,就可得到负电压的输出。该电路实际上是一个由基准、比较、转换和控制电路组成的系统。具体而言,它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成,并外接两个电容C1、C2从而构成电荷泵电压反转电路。

负压电荷泵的工作原理

图1 负压电荷泵的工作原贴片电感理

振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1及S2,此脉冲经反相器反相后控制模拟开关S3及S4。当模拟开关S1、S2闭合时,模拟开关S3、S4断开;模拟开关S3、S4闭合时,模拟开关S1、S2断开。

当模拟开关S1、S2闭合,模拟开关S3、S4断开时,输入的正电压+UIN向C1充电(上正下负),C1上的电压为+UIN;当模拟开关S3、S4闭合,模拟开关S1、S2断开时,C1向C2放电(上正下负),C2上充的电压为-UIN,即UOUT=-UIN。当振荡器以较高的频率不断控制模拟开关S1、S2及模拟开关S3、S4的闭合及断开时,在输出端可输出变换后的负电压(电压转换率可达99%左右)。

由如图1所示的原理图分析可知,当时钟信号为高电平时,模拟开关S1、S2同时导通,S3、S4同时关断,UIN对电容C1进行充电,Ucl+=UIN-Utp-Utn(Utp为开关S1的电压降,Utn为开关S2的电压降),Ucl-=Utn;当时钟信号为低电平时,S1、S2关断,S3、S4同时导通,C1上存储的电荷通过S3、S4传送到C2上,由于C2高电位端接地,故输出端电压为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]大小的压降(Csn、Csp为开关极间电容),输出电压为

负压电荷泵的工作原理

式中,C1sn、C1sp为模拟开关S1,S2的开关电容;C2sn、C2sp,为模拟开关S3,S4的开关电容。

电荷泵使用电容储存能量。随着电荷泵电路结构的改进,它可应用在需要大电流的电路中。一般电荷泵电路主要有“LINEAR”和“SKIP”两种工作模式。

当电荷泵工作在“LINEAR”模式下,可以获得较低的输出纹波;工作在“SKIP”模式下可以获得较低的静态电流。为描述方便,以下分析中的电荷泵的四个开关管均用NMOS代替,而实际电荷泵电路中的开关管既有PM0S又有NM0S。电荷泵简单的工作过程可分为以下三个阶段。

阶段A(充电阶段,S1和S2导通):泵电容被UIN充电,功率电感C1(泵电容)两端的平均压差为UIN减去充电电流在S1和S2产生的压降。

负压电荷泵的工作原理 计算公式

式中,Ucl为泵电一体电感容C1两端的平均压差;Rs1、Rs2为开关管S1,S2的开关电阻。

阶段电感式传感器B(能量传输阶段,S3和S4导通):泵电容向负载电容放电,其两极平均电压为

负压电荷泵的工作原理 计算公式

阶段C(等待阶段,S1~S2均不导通):没有能量从UIN传输到C1和C2。Ucl=待状态,C1两端的电压保持恒定,这意味着C1的电容量在阶段A与阶段B相等。

负压电荷泵的工作原理 计算公式

当用50%占空比的时钟时,ΔtA=ΔtB共模电感=Δt(ΔtA,为阶段A的时间,ΔtB为阶段B的时间),所以C1的平均充电电流就等于其平均放电电流,假设阶段A和阶段B的时间常数足够大,则

并且

负压电荷泵的工作原理 计算公式

那么

负压电荷泵的工作原理 计算公式
负压电荷泵的工作原理 计算公式

开关S1~S2周期性通过阶段A、B和C翻转,能量就从电池UIN传输到负载(UOUT),能量转换波形如图2所示。在单个周期里,只有在阶段B才对负载电容C2充电,在其余阶段(阶段A和C),C2向负载放电。在死循环电路系统中,输出电压UOUT为稳定值,这就要求电荷泵充电能量等于负载消耗的能量。所以在能量传输的阶段B,输出电流Ip为平面变压器厂家 | 平面电感厂家

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