一种高性能电荷泵电压转换器设计

电荷泵电路原理
电荷泵电路是一种用来提升直流电压的电路设计。

它基于电容器的充电和放电原理来实现电压的升高。

电荷泵电路由两个电容器和两个开关组成。

假设初始时两个电容器都处于放电状态，即它们的电压为0V。

第一个开关（开关1）被打开，从而将电容器C1连接到直流
电源，开始对C1进行充电。

充电过程中，C1的电压逐渐增加，直到与电源的电压相等。

这时，开关1被关闭。

接下来，第二个开关（开关2）被打开，将充满电荷的C1与
另一个电容器C2连接起来。

根据电荷守恒定律，C1的电荷被转移到了C2上。

由于电容器C2的电压与C1相反，因此在两
个电容器连接的瞬间，C2的电压会迅速升高。

此时，开关2被关闭，断开了C1和C2的连接。

C2保持着高
电压状态，成为了电荷泵电路的输出。

以上过程仅仅是电荷泵电路的一个周期，为了实现更高的输出电压，可以将多个电荷泵电路级联。

每个周期都会将输入电压放大一倍，因此级联的电荷泵电路能够实现更高的电压倍数。

需要注意的是，电荷泵电路的输出电流非常小，不能供应大功率负载。

如果需要输出大电流，还需要添加放大器阶段。

综上所述，电荷泵电路利用电容器的充电和放电原理实现对直
流电压的升高。

通过多个电荷泵电路的级联，可以实现更高的电压倍数输出。

但需要注意的是，电荷泵电路的输出电流较小，通常需要额外的放大器来满足大功率负载的需求。

稳压电荷泵和电感式DC/DC转换器的比较电荷泵电荷泵（也称为无电感式电感式DC/DCDC/DC转换器）是利用电容作为储能元件的特殊类型开关DC/DC转换器。

与采用电感作为储能元件的电感式开关DC/DC转换器相比，电荷泵式转换器所具有的独特特点使其对于某些最终应用非常具有吸引力。

本文将对比稳压电荷泵转换器与最常用的电感式DC/DC转换器(如电感式降压稳压器、升压稳压器以及单端初级电感式转换器(SEPIC))的结构和工作特点。

稳压式电荷泵转换器最简单也是最常用到的电荷泵结构之一是倍压电荷泵。

倍压电荷泵结构包括四个开关、一个用于存储和转移能量的外部电容(常称为“快速电容”)，以及一个外部输出电容(常称为“储能电容”)。

图1是倍压电荷泵的结构图。

这种倍压电荷泵的工作由两个阶段组成——充电(能量储存)和放电(能量转移)。

在充电阶段，开关S1/S3闭合（导通），S2/S4打开（关断）。

快速电容CF被充电到输入电压输入电压VIN，并储存能量，储存的能量将在下一个放电阶段被转移。

储能电容CR，在上一个放电周期就已经被从CF转移过来的能量充电到2VIN 电压，并提供负载电流。

在放电阶段，开关S1/S3打开，S2/S4闭合。

CF的电平被上移了VIN，而 CF在上一充电阶段已经充电至VIN，因此CR两端的总电压现在成为2VIN(这也是“倍压”电荷泵名称的由来)。

然后，CF放电将充电阶段存储的能量转移到CR，并且提供负载电流。

充电/放电周期的频率取决于时钟频率。

通常倾向于采用较高的时钟频率来降低对快速电容和储能电容容值的要求，从而减小体积。

图1所示简单倍压电荷泵没有对输出电压输出电压进行稳压，因此其输出电压随着输入电压和负载的变化而变化。

对需要稳压电源的应用，这并不合适。

然而，只需要增加一个简单的反馈回路就可以容易地解决这一问题。

图2给出了一个非常简单的、具有稳定输出的倍压电荷泵，通常称为“稳压式电荷泵”。

图2中，增加了一个开关S5来对开关S2/S4提供更多控制。

电荷泵工作原理电荷泵电压反转器是一种DC/DC变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即VOUT= -VIN。

另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即VOUT≈2VIN。

由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（Charge Pump Converter）。

电荷泵的应用电荷泵转换器常用于倍压或反压型DC-DC 转换。

电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。

电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。

电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。

采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。

由于工作频率采用2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。

虽然有一些DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广泛的应用。

目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能工作。

例如，D/A 变换器电路、A/D 变换器电路、V/F或F/V 变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。

自INTERSIL公司开发出ICL7660电压反转器IC后，用它来获得负电源十分简单，90 年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。

对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用。

现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流，效率达到75%(平均值)。

一种大电压输出摆幅低电流失配电荷泵的设计作者：蒋宇俊陈东坡来源：《现代电子技术》2009年第05期摘要：在分析了基本锁相环电荷泵工作机制的基础上，提出一种新型的电荷泵结构，该电荷泵在非常宽的电压范围内具有很低的电流失配，解决了传统电荷泵结构所具有的电荷注入、时钟馈通和电荷共享等问题，并且非常容易实现电荷泵充放电电流的数字控制。

基于SMIC 0.18 μm CMOSRF工艺库设计的实际电路，使用Cadence工具仿真结果表明，在电源电压2.0 V时，输出电压为0.3~1.63 V，充放电电流最大失配率小于0.1%，电流绝对值偏移率小于0.6%，说明这种新型电荷泵结构具有良好的性能。

关键词：锁相环；电荷泵；电流失配；数字控制中图分类号：TN432文献标识码：B文章编号：1004-373X(2009)05-153-03Charge Pump with Wide-range Output Voltage and High Current Matching CharacteristicsJIANG Yujun,CHEN Dongpo(Center for Analog RFIC,School of Microelectronics,Shanghai JiaotongUniversity,Shanghai,200240,China)Abstract：Based on analyzing the principle of Charge Pump(CP) of PLL,a new type of CP is presented in this paper.This CP has high current matching characteristics in wide-range output voltage,overcoming the disadvantage in the traditional CP circuit,which includs charge injection,clock feedthrough,and charge sharing.This type of CP can easily control the sourcing/sinking current digitally.The practical circuit is designed based on SMIC 0.18um CMOSRF technology,the simulation by Cadence tools shows that at 2V supply voltage,the sourcing/sinking current′s largest mismatch can achieve smaller than 0.1% and the absolute mismatch of current is smaller than 0.6% when the output voltage varies from 0.3V to 1.63V,indicating that this type of CP has a good performance.Keywords：phase locked loop；charge-pump；current mismatch；digital control0 引言CMOS电荷泵锁相环以其高速、低抖动、低功耗和易集成等特点，已广泛用于接收机芯片、时钟恢复电路中，如图1所示，电荷泵对整个电荷泵锁相环性能具有关键的作用，如果电荷泵的充放电电流能够在很大的输出电压范围内具有高精度的匹配，在PLL锁定某个频率时，LPF提供给VCO的控制电压将是一个常数，它将显著降低VCO输出频率的抖动，提高VCO的相位噪声特性，并且VCO可以具有很大的调谐范围［1］。

一种快速升压的片上电荷泵电路设计翟艳男;程继航;汤艳坤;石静苑;焦阳【摘要】设计了一种快速升压的片上电荷泵电路,该电路由时钟产生电路和电荷泵核组成.电荷泵核基于传统Dickson电荷结构,在前四级引入预充管,增加节点初始电压,提高电荷泵升压速度,时钟产生电路能产生占空比约为30％的稳定时钟信号,用它驱动电荷泵核可以减小充放电流失配等问题,进一步提高电荷泵升压速度.基于华虹NEC 0.35 μs CMOS工艺,HSPICE仿真结果显示:在5V电源电压下,电荷泵仅需要57.625μs就可以从0升压到20 V,比传统的MOS管Dickson电荷泵快了20.055μs.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2013(036)005【总页数】4页(P676-679)【关键词】集成电路;电荷泵;HSPICE仿真;上升时间;压控振荡器【作者】翟艳男;程继航;汤艳坤;石静苑;焦阳【作者单位】空军航空大学,长春130022;空军航空大学,长春130022;空军航空大学,长春130022;空军航空大学,长春130022;空军航空大学,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN402随着集成电路的迅速发展，各种器件对电源的要求也在不断提高。

片上电荷泵作为一种内部电源成为研究热点［1-4］，它被应用于需要高压的领域，如串口通信电路、EEPROM、动态随机存储器等等。

例如，在EEPROM中，电荷泵用于对悬浮栅器件进行写入或者擦除操作。

如果电荷泵泵压速度慢，EEPROM就不能实现高速数据改写，数据可能会丢失、误传，影响器件性能。

因此，减小电压上升时间成为设计片上电荷泵的重点。

通过对静态CTS电荷泵［5］、浮阱电荷泵［6］、交叉耦合电荷泵［7］、Dickson电荷泵［8-9］等电路进行研究和分析，并且考虑到工艺库文件的限制，选定Dickson电荷泵作为设计基础，运用电荷在电容中积累产生高压。

对Dickson电荷泵进行静态分析和动态分析［10-11］可以看出，无论是二极管还是MOS管连接的Dickson电荷泵，它们输出电压的上升时间都与电源电压、传输管阈值电压、电荷泵级数、耦合电容、负载电容、驱动时钟的周期以及节点初始电压等参数有密切关系。

电荷泵设计原理及在电路中的作用
 1、电荷泵原理
 电荷泵的基本原理是，电容的充电和放电采用不同的连接方式，如并联充电、串联放电，串联充电、并联放电等，实现升压、降压、负压等电压转换功能。

 上图为二倍升压电荷示，为最简单的电荷泵电路。

V2输出为方波信号，当V2为低电平的时候，V1通过D1、C1、V2对电容C2充电，C2两端电压上正下负;当V2为高电平输出的时候，V2输出电压与C1两端电压相叠加，通过D3对负载供电并对C2充电。

如果忽略二极管压降，则C2两端电压Vo=V2+V1，其中V2为电压源V2的高电平输出电压。

 由于电荷泵整个工作过程的核心部分为电容充放电过程，所以最重要的公式为电容充放电公式：I*T=ΔV*C，其中T为电容充放电周期，
ΔV为每个充放电周期内电容两端电压波动，I为充放电电流。

 电荷泵以非常简单的电路可以实现升压、降压、负压等功能，所以各种不同的场合为电路扩展小功率电路。

dickson电荷泵原理Dickson电荷泵原理是一种将直流电压升高的电路结构，常被用于高压电源的设计中。

它由多个电容和二极管组成，通过交替充电和放电来实现电压倍增的效果。

本文将详细介绍Dickson电荷泵原理，并对其工作原理和应用进行探讨。

我们来了解Dickson电荷泵原理的基本结构。

它由多个电容和二极管组成，通常呈阶梯状排列。

每个阶梯中的电容和二极管构成一个单元，相邻单元之间通过二极管连接。

在工作时，电容会交替充电和放电，通过二极管的导通和截止来实现电荷的传递。

接下来，我们来探讨Dickson电荷泵原理的工作过程。

首先，将输入电压接到第一个电容上，此时第一个电容开始充电。

当第一个电容充电完成后，二极管会导通，电荷会传递到第二个电容上，使其充电。

然后，第二个电容充电完成后，电荷会传递到第三个电容上，以此类推，直到最后一个电容充电完成。

在整个充电过程中，每个电容都会逐渐积累电荷，从而使输出电压逐渐增高。

当最后一个电容充电完成后，输出电压即为输入电压的几倍。

这样，通过交替充电和放电的过程，Dickson电荷泵原理实现了电压倍增的效果。

Dickson电荷泵原理的应用非常广泛。

首先，它可以用于高压电源的设计中。

由于Dickson电荷泵原理可以将输入电压升高，因此可以用于产生高压直流电源，用于驱动需要高电压的元件或器件。

其次，Dickson电荷泵原理还可以用于电荷泵驱动的时钟发生器中，通过电容和二极管的组合，实现稳定的时钟信号输出。

此外，Dickson电荷泵原理还可以应用于模拟集成电路中，用于产生负电压或提供电源。

总结一下，Dickson电荷泵原理是一种将直流电压升高的电路结构，通过交替充电和放电来实现电压倍增的效果。

它由多个电容和二极管组成，通过电容的充放电和二极管的导通和截止，实现电荷的传递和电压的增加。

Dickson电荷泵原理被广泛应用于高压电源设计、时钟发生器和模拟集成电路中。

通过深入了解Dickson电荷泵原理，我们可以更好地应用于实际工程中，实现更高效、稳定的电路设计。