十個電荷泵的設計方案以及經(jīng)典應用案例

電荷泵也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC(變換器)。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負電壓。其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)(0.5,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。電荷泵大多應用在需要電池的系統(tǒng),如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統(tǒng)和便攜式電子設備，包括驅(qū)動用于手機背光的白光LED和毫瓦范圍的數(shù)字處理器。本文主要為您介紹了幾種電荷泵的設計方案以及電荷泵的實際應用案例。

一種應用于深亞微米存儲器的電荷泵設計

只讀存儲器的基本存儲單元只進行一次編程，編程后的數(shù)據(jù)能長時間保存，且在編程時需要流過mA級以上的電流，所以只讀存儲器編程時通常采用外加編程高壓，內(nèi)部的電荷泵。我們設計了一款電荷泵用以在存儲器中傳遞外部編程高壓。這種電荷泵利用高壓NMOS器件提高了耐壓特性并保證了正常工作，且增加了襯底偏置以縮短電荷泵的穩(wěn)定時間。

一種高性能CMOS電荷泵的設計

文中提出了一種基于偽差分結(jié)構(gòu)的具有高輸出阻抗和高充放電流匹配率的電荷泵電路。主要功能是將鑒頻鑒相器(PFD)的輸出信號up和down轉(zhuǎn)換為模擬的連續(xù)變化的電壓信號，用于控制壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率。當PFD的up輸出信號起作用時，電荷泵的電流源對環(huán)路濾波器進行充電，VCO的壓控端電壓升高，VCO的振蕩頻率也相應改變。

一種大電壓輸出擺幅低電流失配電荷泵的設計

電荷泵對整個電荷泵鎖相環(huán)性能具有關(guān)鍵的作用，如果電荷泵的充放電電流能夠在很大的輸出電壓范圍內(nèi)具有高精度的匹配，在PLL鎖定某個頻率時，LPF提供給VCO的控制電壓將是一個常數(shù)，它將顯著降低VCO輸出頻率的抖動，提高VCO的相位噪聲特性，并且VCO可以具有很大的調(diào)諧范圍。本文提出的新型電荷泵結(jié)構(gòu)，可以輕易地實現(xiàn)充放電電流的數(shù)字控制，因為充放電電流的大小直接影響PLL的帶寬口，因此可以根據(jù)實際情況調(diào)整電荷泵的充放電電流來調(diào)整PLL的帶寬，實現(xiàn)帶寬可數(shù)字控制的PLL系統(tǒng)。

高效電荷泵，將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V

在便攜式產(chǎn)品中，常常利用低壓差線性穩(wěn)壓源（LDO）將5V 主電源轉(zhuǎn)換為3.3V，LDO具有低成本、小尺寸、低靜態(tài)電流及易于實現(xiàn)等特點，但其轉(zhuǎn)換效率很低，在這種應用中效率一般為67%。一種可替代的方案是采用降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，轉(zhuǎn)換效率典型值可達90%，但需要外接電感，占線路板尺寸較大，價格相對較高。另一種解決方案是采用電荷泵，該方案彌補了LDO與開關(guān)穩(wěn)壓電源的不足，具有低成本、小尺寸、易實現(xiàn)、轉(zhuǎn)換效率高等特點。

DC-DC電荷泵的研究與設計

本文從電荷泵的基本原理出發(fā)，設計開發(fā)了一種負電壓電荷泵，詳細分析了它的工作原理，并在基本模型的基礎(chǔ)上針對開關(guān)速度以及功耗和轉(zhuǎn)換率等方面提出了一定的改進。

一種基于電荷泵的CMOS圖像傳感器

本文提出了基于電荷泵的CMOS圖像傳感器，使用一個簡單的電荷泵抬高重置脈沖信號的幅值，使像素單元中的充電節(jié)點電壓達到電源電壓；同時調(diào)整源極跟隨器的參數(shù)，拓展充電節(jié)點電壓在積分周期擺動范圍的下界，這兩種方案可以有效地提高充電節(jié)點電壓的擺幅，從而提高了傳感器的動態(tài)范圍。重置脈沖信號幅值的提高也減小了充電的時間常數(shù)，縮短了充電時間，從而可以提高圖像采集的幀率。

一種基于CMOS工藝的電荷泵鎖相環(huán)芯片的設計

鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個電信號的相位同步、頻率相同或倍頻，由4個基本部件即鑒相器、電荷泵、低通濾波器和壓控振蕩器組成。電荷泵將鑒相器的輸出信號放大，給低通濾波器的電容充放電。而環(huán)路低通濾波器是用來濾除鑒相器輸出誤差電壓中的高頻分量，起到濾波平滑作用，以保證環(huán)路穩(wěn)定以及改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲特性。最后，壓控振蕩器依據(jù)傳輸過來的控制電壓來改變輸出信號的頻率和相位，因此整個系統(tǒng)就形成了一個反饋系統(tǒng)，最終壓控振蕩器的輸出信號鎖定在參考信號的頻率和相位上。

利用負壓電荷泵和模擬開關(guān)構(gòu)建DD視波放大器

MAX9503/MAX9505 DirectDrive視頻濾波放大器集成了模擬開關(guān)(MAX9505)和負壓電荷泵。這些器件采用2.7V至3.6V單電源供電，可以與視頻DAC的輸出直接連接，在輸出端將視頻信號的黑電平置于地電位。這些器件省去了額外的負電源和大尺寸輸出隔直電容，從而降低系統(tǒng)成本、節(jié)省電路板面積。

利用電荷泵為高速CAN收發(fā)器供電

大部分CAN收發(fā)器總線驅(qū)動器需要5V電源供電。但電子系統(tǒng)的主電源通常不能滿足子系統(tǒng)的電源要求。可以利用電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所要求的電源電壓，對于低功耗、結(jié)構(gòu)簡單的低成本設計，電荷泵通常是最佳的選擇。它不需要昂貴的電感或額外的半導體器件，而且易于使用。

基于電荷泵的多LED驅(qū)動器

本應用手冊展示了一個多功能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以生成和控制利用現(xiàn)代手機中的三個已有功能時所需的功率。除了帶全彩顯示的更大的顯示屏，閃光燈和手電筒也已經(jīng)被集成到嵌入式相機和夜視導航器中。這些功能都是通過一個采用標準電池的超亮LED來實現(xiàn)的。

更多關(guān)于電荷泵的技術(shù)資訊，歡迎訪問 與非網(wǎng)電荷泵技術(shù)專區(qū)