圖1 負壓電荷泵的工作原理

    振蕩器輸出的脈沖直接控制模擬開關(guān)s1及s2，此脈沖經(jīng)反相器反相后控制模擬開關(guān)s3及s4。當模擬開關(guān)s1、s2閉合時，模擬開關(guān)s3、s4斷開;模擬開關(guān)s3、s4閉合時，模擬開關(guān)s1、s2斷開。

    當模擬開關(guān)s1、s2閉合，模擬開關(guān)s3、s4斷開時，輸入的正電壓+uin向c1充電(上正下負)，c1上的電壓為+uin;當模擬開關(guān)s3、s4閉合，模擬開關(guān)s1、s2斷開時，c1向c2放電(上正下負)，c2上充的電壓為-uin，即uout=-uin。當振蕩器以較高的頻率不斷控制模擬開關(guān)s1、s2及模擬開關(guān)s3、s4的閉合及斷開時，在輸出端可輸出變換后的負電壓(電壓轉(zhuǎn)換率可達99%左右)。

    由如圖1所示的原理圖分析可知，當時鐘信號為高電平時，模擬開關(guān)s1、s2同時導(dǎo)通，s3、s4同時關(guān)斷，uin對電容c1進行充電，ucl+=uin-utp-utn(utp為開關(guān)s1的電壓降，utn為開關(guān)s2的電壓降)，ucl-=utn;當時鐘信號為低電平時，s1、s2關(guān)斷，s3、s4同時導(dǎo)通，c1上存儲的電荷通過s3、s4傳送到c2上，由于c2高電位端接地，故輸出端電壓為uout=-(uin-utp)。當考慮負載后，由于負載會從電路中抽取電流iout，負載上具有-iout[(c+csn+csp)fosc]大小的壓降(csn、csp為開關(guān)極間電容)，輸出電壓為

    式中，c1sn、c1sp為模擬開關(guān)s1，s2的開關(guān)電容;c2sn、c2sp，為模擬開關(guān)s3，s4的開關(guān)電容。

    電荷泵使用電容儲存能量。隨著電荷泵電路結(jié)構(gòu)的改進，它可應(yīng)用在需要大電流的電路中。一般電荷泵電路主要有“linear”和“skip”兩種工作模式。

    當電荷泵工作在“linear”模式下，可以獲得較低的輸出紋波;工作在“skip”模式下可以獲得較低的靜態(tài)電流。為描述方便，以下分析中的電荷泵的四個開關(guān)管均用nmos代替，而實際電荷泵電路中的開關(guān)管既有pm0s又有nm0s。電荷泵簡單的工作過程可分為以下三個階段。

    階段a(充電階段，s1和s2導(dǎo)通)：泵電容被uin充電，c1(泵電容)兩端的平均壓差為uin減去充電電流在s1和s2產(chǎn)生的壓降。

    式中，ucl為泵電容c1兩端的平均壓差;rs1、rs2為開關(guān)管s1，s2的開關(guān)電阻。

    階段b(能量傳輸階段，s3和s4導(dǎo)通)：泵電容向負載電容放電，其兩極平均電壓為

    階段c(等待階段，s1～s2均不導(dǎo)通)：沒有能量從uin傳輸?shù)絚1和c2。ucl=待狀態(tài)，c1兩端的電壓保持恒定，這意味著c1的電容量在階段a與階段b相等。

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