电荷泵在电能变换、电机驱动与存储电路中占有重要地位。H桥驱动、EEPROM的读写及EL驱动都需要使用电荷泵。传统升压电路利用电感电流的不突变特性升压，通过PWM控制方式来稳定输出电压。这种电路存在不可忽视的缺点：由于PWM控制方式在轻载时频率固定，开关损耗并未随负载减小而降低，因此，PWM式电荷泵在轻载时效率较低[1]。作为电感式电荷泵的一种替代，电容式电荷泵得到了很好的发展，电容式电荷泵电路以其电路结构简洁、制造成本低、开关频率高、效率中等偏上及电磁干扰小的优点，得到了广泛的应用。
    本文针对传统的电容式电荷泵，提出了一种新颖的改进结构，具有较小的电磁干扰，且在轻载时也有很高的效率。

    由式(1)可知，最终的输出电压与电荷泵的级数和输入电压大小与二极管的正向压降有关。这种传统的电荷泵虽然具有结构简单、便于片内集成等优点，但是存在不可忽视的缺点，如输出电压固定不可调，轻载时自身功耗太大等，特别值得一提的是，由于内置二极管多应用于正向通导状态，随着级数的增多，当前一级电容对下一级充电时，很大一部分电荷通过寄生BJT流入衬底，不但引入了衬底噪声，而且降低了输出带负载的能力。此外，当输入电压较高时，这种电荷泵的结构也不适合。
2 高压自适应频率电荷泵
    为解决输入电压与输出电压之差在一定范围内可调及轻载效率较低的问题，本文提出了一种高压自适应频率电荷泵。以两级升压电路为例，总体电路如图2所示。该电路分为3个部分，即电平变换电路、变频振荡电路及两级升压电路。其中变频振荡电路工作在标准5 V电压，电平变换电路与两级升压电路工作在高压。在流片的设计中，标准电压VDD=5 V，VIN=40 V，设计输出电压VOUT=45 V，VREF1=VDD=5 V，VREF2=1.25 V。
    该电路的整体工作原理如下：首先，电平变换电路在输入电压、输出电压及VREF1的作用下，生成一个随输出/输入电压之差线性变化的低压参考电压VE1并送入变频振荡电路。变频振荡电路在参考电压VE1的作用下，产生一个特定频率的振荡信号，通过“与非门”NOR1_1与NOR2_2生成两路互为反相的时钟。两级升压电路在时钟的控制下，将电容C1上的电荷有序地传递至电容C2上，以达到升压的目的。下面详细分析各部分电路工作原理。
   
    由式(4)可知，AMP1的输出电压跟VIN与VOUT的差值成线性关系。
2.2 两级升压电路
    两级升压电路包括：由R1、R2和M1组成的电平移位电路，由M2和M3组成的反相器，驱动管M4及外置电容C1和C2。忽略二极管正向压降及MOSEFT的开关压降，设开关动作前输出电压为VOUT0，当M2的栅极逻辑为1时，电容C1通过D1、R3与M2充电；当M2的栅极逻辑为0时，M2截止，M4开通，电容C1的下极板电位上升至VIN，此时电容C1的电荷转移至C2，由电荷守恒定律得C2上变化的电压为：
  
    从式（5）可看出，每次开关动作后，输出电压变化量与上周期的输出电压VOUT0相关，在两级升压结构中，极限输出电压为输入电压的2倍。图2中的R3为限流电阻；D1和D2为肖特基二极管，以减小寄生BJT效应。

2.3 变频震荡电路
    在变频振荡电路中，由COMP1及COMP2组成窗口比较器，其比较结果通过施密特触发器SMIT1、SMIT2，“与非门”NAND2、NAND3及“非门”INV1的整形，再经过D触发器的处理，在“或非门”NOR2_1及NOR2_2的输出端得到了两个不同时为1时钟信号，RESET为使能端口且1有效。该子电路的振荡频率由电平变换电路的输出VE1决定，详细分析如下：
    假设某一个时刻INV1输出端为1，D触发器的Q端输出为1，“或非门”NOR2_1和NOR2_2输出为0，“与非门”NAND3的输出也为1，此时，由R10、C3组成的RC电路充电。充电时，比较器的输入电压介于VREF1与VREF2之间，两个比较器输出1，RS触发器处于锁存状态；随着时间的推移，当C3的电压高于VE1时，比较器COMP1输出0，RS触发器复位，INV1和NAND3输出0，NOR2_1和NOR2_2输出分别为0和1；随后，RC回路放电，当C3电压低于VREF1时，比较器COMP2输出0，RS触发器置位，INV1和NAND3输出1，此时D触发器输出0，NOR2_1和NOR2_2输出为0；此后RS回路继续充电，当C3超过VE1时，RS触发器复位，NOR2_1和NOR2_2输出分别为1和0；RS触发器再次放电，当低于VREF1时，RS触发器再次置位，NOR2_1和NOR2_2输出为0。如此不断重复。

 
    可见，电路的纹波与电容C1、C2的比值有关。
3 仿真及测试结果
    对电路进行仿真，得到图3所示的图形。图3中上半图形对应的负载电阻为45 kΩ，而下半图形对应的负载电阻为500 kΩ，且一个锯齿波对应振荡电路的2个RC振荡周期。由图可知，RC振荡电路的振荡频率与负载有关，轻载时振荡频率较低，重载时振荡频率较高，以维持输出电压。与固定频率的电荷泵相比，本电荷泵最大的优点是轻载时功耗低、EMI小及输出-输入电压差值可调。与电感式电荷泵相比，没有大电感，便于集成，且噪声低。该电荷泵使用了华润上华半导体有限公司的ST3800 BCD工艺，面积为0.6 mm×1 mm，由于内部集成了功率肖特基二极管及高压MOSEFT，因此面积稍大。

    图4为流片的测试结果，电路设计了输出-输入电压差为5 V。在测试中，负载电阻为45 k?赘，外置电容C1、C2分别为10 nF和220 nF。在Vin为45 V处，测得输出电压约为45.8 V，与第1节计算的结果基本相符。由图4可知，在15~30 V输入电压段，输出-输入电压差约为5.2 V；而在30~50 V输入电压范围内，输出-输入电压差略大于5.2 V，这主要是由电平变换电路中晶体管与电阻的不匹配及功率器件的局部温升引起的。

    本文的电荷泵具有性能稳定、轻载时本身功耗低、输出-输入电压差灵活可调的优点。由于是两级结构，其极限输出电压为输入电压的2倍，要提高输出-输入电压差，只需要增加级数。因此，可以方便地集成到各种功率芯片(如步进电机驱动、LLC谐振驱动器及相移式全桥开关电源驱动器)中，也可以独立应用于低噪声升压中。
参考文献
[1] 陈晓飞，邹雪城，李高，等.带跳周期模式的高效升压DC/DC变换器[J].电子技术应用，2008，34(4)：63-65.
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[4] 李瀚荪.简明电路分析基础[M].北京：高等教育出版社，2002.
[5] 巴索(BASSO C P).开关电源SPICE仿真与使用设计[M].吕德璋，译.北京：电子工业出版社，2009.