原创 电荷泵扫盲篇

   
    介绍功率MOS管的驱动时，提到一个电荷泵，用来提供高于VCC的电压。这在马达驱动器，开关电源驱动芯片经常用到。而且很多情况下，跨接电容需要单独选择。这时需要了解一些基本的内容。
   
1，原理
    电荷泵的基本原理是，通过电容对电荷的积累效应而产生高压，使电流由低电势流向高电势。(参考资料1)
    最简单的电荷泵：跨接电容A端通过二极管接Vcc，另一端B端接振幅Vin的PWM方波。当B点电位为0时，A点电位为Vcc；当B点电位上升至Vin时，因为电容两端电压不变，此时A点电位上升为Vcc+Vin。(参考资料2)
    所以，A点的电压就是一个PWM方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc。（假设二极管为理想二极管）（很简单的电路，可以用Pspice模拟）
    A点的方波经过简单的整流，就可以作为驱动MOS管的电源了。

    
    常见的马达驱动器或者开关电源驱动芯片有一个引脚，通常叫做Vboost，推荐电路会在Vboost管脚和驱动管脚之间接上一个电容，这个电容就是上面介绍的跨接电容。二极管会接在Vcc与Vboost之间。
    对于跨接电容，需要注意的是耐压和容量。   
   
2，计算（参考凌特LTC3240 DATASHEET）
    通常对于电荷泵，最感兴趣的是下面两个指标：
    1，输出电压。
    理想情况下，输出电压最大值Voutmax=Vin+Vcc-Vf  (Vf=二极管压降)。
   
    2，输出电流。
    经整流后得到的输出电压为Vout，可由公式算出Vout与最大可用输出电流的关系(参考资料3，page8,9)：
    Iout=(Vcc+Vin-Vf-Vout)*f*Cfly (f=PWM波频率，Cfly=跨接电容值)
    用来驱动MOS管时，因为此时相当于给电容充电，而电容充电瞬间相当于短路（输出电压为0），所以，我们用短路输出电流来评价电荷泵：
    Iout=(Vcc+Vin-Vf)*f*Cfly
   
    上面两个公式是理想情况下得出的。因为电荷泵的有效开环输出电阻(参考资料3)存在，使得实际情况不是那么理想。所以在MOS管的驱动设计中，选择跨接电容时一般要留有一半的余量。
   
3，应用
    除了MOS管的驱动，电荷泵有时也用于相机的照明灯等设备，也有升压，降压，和产生负压的电荷泵。当然因为有更高的要求，内部原理要比上面介绍的复杂得多，但是，万变不离其宗，了解了电荷泵的基本动作原理，更复杂的电路也就不难了。
   
参考资料：
1，DC-DC电荷泵的研究与设计，<<通信电源技术 >>2004年05期，曹香凝
2，《晶体管电路设计》（下），铃木雅臣，科学出版社
3，凌特LTC3240 DATASHEET