可从数字信号中提取能量的改进型电荷泵

本设计实例中描述的电压倍增器是Dickson电荷泵的改进型（图1）。与那个电路不同的是，它不需要直流输入电压，只需一个数字时钟信号，输出端的直流电压值在理想情况下可以达到这个时钟信号峰值的两倍。


图1：电压倍增器可以产生它自己本地的正电压。

这个电路实际上是一个电荷泵，其中C1首先充电至输入时钟的高电平，然后在输入时钟低电平时通过D2放电到C2，当时钟回到高电平时，C2再通过二极管D3放电到C3。

在没有负载的情况下，输出电压是峰值输入电压的两倍减去三个二极管的正向电压——总共约0.75V。输出电压在十个时钟周期内稳定下来；在两个时钟周期后，输出电压达到最终值的约60%。其值取决于负载电流和输入时钟的峰值，因此如果你想得到一个精确的输出电压，还可以在后期进行调节。

要想针对具体应用选择电容值，可以遵循以下这个公式：



其中Iload是负载电流，Tlow是时钟低电平的持续时间，VR (P-P)是输出端可接受的峰峰值纹波电压。

上述电路用200kHz的RC施密特非稳态多谐振荡器进行了测试。该振荡器是用工作电压VDD = 5V的74HC14反相器搭建的(图2)。振荡器输出通过一条10m长的双绞线连接到电压倍增器的输入端，以下是得到的测量结果：



D4用于最大限度地减小输入时钟下降沿上的振铃。


图2：增加了抗振铃的钳位二极管D4。

这个电路可以从任何数字化的数据线中获取能量，因此可以在不使用本地电池的远程微功率应用中提供较高的供电电压，比如单线串行接口网络这样的应用中。

如果需要更高的供电电压，还可以对这个电路加以扩展，得到N倍的倍增器。图3就是一个三倍的倍增器。


图3：三倍电压倍增器。

通过反转所有二极管，并通过电容将输入峰值耦合和钳位至0V，我们还可以产生负电压。图4显示的是一个负电压倍增器，其中的钳位电路由C4和D4组成。还可以通过修改图3所示电路获得更高的负电压。


图4：负电压倍增器。