LTspice中負電壓電荷泵的分析——電源和負載電阻

了解如何使用LTspice模擬來提供對開關(guān)電容器電壓反相電源性能的重要見解。

之前，我寫了一篇文章，解釋了負電壓的基本原理，我在LTspice實驗室繼續(xù)了這一主題，該實驗室使用模擬來闡明負電壓是電路中產(chǎn)生的。作為LTspice實驗室的一部分，我還將介紹一種電路拓撲結(jié)構(gòu)，它可以產(chǎn)生穩(wěn)定的負電壓，并能夠為其他組件提供電流。

在這一系列新文章中，我想更詳細地了解一下這種負電壓電路的功能，目的是增強我們對如何優(yōu)化現(xiàn)實生活中的開關(guān)電容器電源和電源的理解。

綜述：電容器和開關(guān)的負電壓

在深入研究之前，讓我們看看圖1，它顯示了我之前在上一篇負電壓文章中介紹的電荷泵電路。

電荷泵電路示例。

圖1。電荷泵電路示例。

在電路示意圖中，V1產(chǎn)生輸入電壓，V2產(chǎn)生控制所有四個開關(guān)的500kHz方波。由于SW1和SW2模型中分配給導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的電阻值不同，當(dāng)S2和S3截止時，S1和S3導(dǎo)通，反之亦然。當(dāng)S1和S3允許電流流動時，源極電壓對電容器C1充電，然后所有四個開關(guān)都改變狀態(tài)，使得C1放電到電路的右側(cè)。

接下來，C2獲得等于V1源電壓的電勢差，但是由于C2的較高電壓端子接地，因此較低電壓端子必須轉(zhuǎn)移到負電壓區(qū)域中。因此，INVERTED節(jié)點處的電壓等于負V（SOURCE）。換句話說，VOUT=–VIN。

下面的曲線圖（圖2）顯示了輸出電壓下降到VIN，然后保持在VIN。

圖2:示例圖顯示輸出電壓下降至并保持在–VIN。

了解負載電阻的影響

也許你想知道開關(guān)電容器電路是否太好了，不可能是真的。只有兩個電容器，四個開關(guān)和一個方波？這就是我們產(chǎn)生一個良好調(diào)節(jié)的負電壓供電軌所需要的全部？嗯，不完全；這個電路實際上并不是一個電壓調(diào)節(jié)器。

它不是電壓調(diào)節(jié)器，因為它缺乏線性調(diào)節(jié)器和開關(guān)模式調(diào)節(jié)器操作的核心：反饋子系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器通過監(jiān)測輸出并通過負反饋補償負載變化來保持穩(wěn)定、可預(yù)測的電源電壓。

我們的開關(guān)電容電荷泵沒有任何負反饋控制系統(tǒng)，因此，負載電阻的降低將導(dǎo)致輸出電壓的相應(yīng)降低。這是因為輸出網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個分壓器。考慮到這一點，當(dāng)RLOAD=100 kΩ時，我們在輸出端有完整的-VIN，這只是因為100 kΩ遠高于電荷泵的源極電阻（ROUT）。隨著RLOAD朝向ROUT減小，電壓在這兩個電阻之間被更均勻地分壓，因此輸出電壓（即，RLOAD兩端的電壓）減小。

你也可以從負載電流的角度來考慮這個問題。假設(shè)負載電路的操作發(fā)生變化，使得電源必須輸送更多的電流（這在電氣上相當(dāng)于RLOAD的減少）。當(dāng)這種情況發(fā)生時，更多的電流流過ROUT，更多的電壓在ROUT上下降，并且在輸出節(jié)點處可獲得較小比例的輸入電勢差。

LTspice中可變負載電阻的仿真

我們可以使用一個.step文本命令，直接放在LTspice示意圖上，以直觀地評估不同RLOAD的效果：

.step PARAM LOAD list 100k 10k 1k 100 10

此語句將導(dǎo)致對變量LOAD所附列表中的每個值運行一次模擬。我們想將這些值分配給RLOAD組件，并通過在組件值字段中使用{LOAD}（不要忘記花括號）來實現(xiàn)這一點（如圖3所示）：

電荷泵電路的一部分，顯示Rload｛LOAD｝。

圖3。電荷泵電路的一部分，顯示Rload｛LOAD｝。

結(jié)果如下圖4所示。

所得到的示例電荷泵電路的仿真結(jié)果。

圖4。所得到的示例電荷泵電路的仿真結(jié)果。

三個最高電阻值（100 kΩ、10 kΩ、1 kΩ）都具有相似的性能，并且與這三個值對應(yīng)的跡線幾乎無法區(qū)分。然而，在100Ω（米色跡線）時，我們開始注意到輸出電壓的下降，而在10Ω（綠色跡線）處，下降相當(dāng)嚴重。

（我相信你也注意到，隨著負載電阻的降低，電壓紋波會顯著增加。我們將在第2部分中討論這一點。）

評估應(yīng)用可行性的輸出電壓

像這樣的模擬有助于我們確定電路是否會為給定的應(yīng)用保持足夠的輸出電壓。假設(shè)我們需要一個負電壓來為組件供電，其供電要求為-5 V±0.3 V；在這種情況下，最小可接受電壓幅度為4.7V。使用我們之前的結(jié)果作為起點，我們創(chuàng)建了另一個具有RLOAD值的模擬（圖5），該值將使我們接近相關(guān)電壓閾值。  

.step PARAM LOAD list 300 100 70 40

RLOAD使我們接近相關(guān)電壓閾值的仿真結(jié)果。

圖5。RLOAD使我們接近相關(guān)電壓閾值的仿真結(jié)果。

我們的結(jié)果表明，最小安全RLOAD略低于70Ω。我們稱之為65Ω。RLOAD=65Ω的單次運行模擬證實了我們（理論上）在可接受的范圍內(nèi)，如下圖6所示。

RLOAD=65Ω的單個模擬結(jié)果。

圖6。RLOAD=65Ω的單個模擬結(jié)果。

歐姆定律告訴我們，RLOAD=65Ω的負載電流約為74mA-如果你愿意，你可以通過模擬來確認這一點。因此，我們得出結(jié)論，如果總負載電流小于74mA，則電荷泵將能夠為所討論的部件保持足夠的負電源電壓。

總之，我們研究了LTspice開關(guān)電容器電荷泵的一些有趣的細節(jié)，注意到該電路不是電壓調(diào)節(jié)器，并使用.step模擬來確定負載電流能力。在下一篇文章中，我們將更深入地了解輸出紋波。