负压电荷泵的工作原理

由Dickson电荷泵理论可以推广得到产生负电压的电荷泵电路，负压电荷泵的工作原理如图1所示。其基本原理与Dickson电荷泵是一致的，但是利用电容两端电压差不会跳变的特性，当电路保持充、放电状态时，电容两端的电压差将保持恒定。在这种情况下将原来的高电位端接地，就可得到负电压的输出。该电路实际上是一个由基准、比较、转换和控制电路组成的系统。具体而言，它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，并外接两个电容C1、C2从而构成电荷泵电压反转电路。

图1 负压电荷泵的工作原理

振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1及S2，此脉冲经反相器反相后控制模拟开关S3及S4。当模拟开关S1、S2闭合时，模拟开关S3、S4断开;模拟开关S3、S4闭合时，模拟开关S1、S2断开。

当模拟开关S1、S2闭合，模拟开关S3、S4断开时，输入的正电压+UIN向C1充电(上正下负)，C1上的电压为+UIN;当模拟开关S3、S4闭合，模拟开关S1、S2断开时，C1向C2放电(上正下负)，C2上充的电压为-UIN，即UOUT=-UIN。当振荡器以较高的频率不断控制模拟开关S1、S2及模拟开关S3、S4的闭合及断开时，在输出端可输出变换后的负电压(电压转换率可达99%左右)。

由如图1所示的原理图分析可知，当时钟信号为高电平时，模拟开关S1、S2同时导通，S3、S4同时关断，UIN对电容C1进行充电，Ucl+=UIN-Utp-Utn(Utp为开关S1的电压降，Utn为开关S2的电压降)，Ucl-=Utn;当时钟信号为低电平时，S1、S2关断，S3、S4同时导通，C1上存储的电荷通过S3、S4传送到C2上，由于C2高电位端接地，故输出端电压为UOUT=-(UIN-Utp)。当考虑负载后，由于负载会从电路中抽取电流IOUT，负载上具有-IOUT[(C+Csn+Csp)fosc]大小的压降(Csn、Csp为开关极间电容)，输出电压为

式中，C1sn、C1sp为模拟开关S1，S2的开关电容;C2sn、C2sp，为模拟开关S3，S4的开关电容。

电荷泵使用电容储存能量。随着电荷泵电路结构的改进，它可应用在需要大电流的电路中。一般电荷泵电路主要有“LINEAR”和“SKIP”两种工作模式。

当电荷泵工作在“LINEAR”模式下，可以获得较低的输出纹波;工作在“SKIP”模式下可以获得较低的静态电流。为描述方便，以下分析中的电荷泵的四个开关管均用NMOS代替，而实际电荷泵电路中的开关管既有PM0S又有NM0S。电荷泵简单的工作过程可分为以下三个阶段。

阶段A(充电阶段，S1和S2导通)：泵电容被UIN充电，C1(泵电容)两端的平均压差为UIN减去充电电流在S1和S2产生的压降。

式中，Ucl为泵电容C1两端的平均压差;Rs1、Rs2为开关管S1，S2的开关电阻。

阶段B(能量传输阶段，S3和S4导通)：泵电容向负载电容放电，其两极平均电压为

阶段C(等待阶段，S1～S2均不导通)：没有能量从UIN传输到C1和C2。Ucl=待状态，C1两端的电压保持恒定，这意味着C1的电容量在阶段A与阶段B相等。

当用50%占空比的时钟时，ΔtA=ΔtB=Δt(ΔtA，为阶段A的时间，ΔtB为阶段B的时间)，所以C1的平均充电电流就等于其平均放电电流，假设阶段A和阶段B的时间常数足够大，则

并且

那么

开关S1～S2周期性通过阶段A、B和C翻转，能量就从电池UIN传输到负载(UOUT)，能量转换波形如图2所示。在单个周期里，只有在阶段B才对负载电容C2充电，在其余阶段(阶段A和C)，C2向负载放电。在死循环电路系统中，输出电压UOUT为稳定值，这就要求电荷泵充电能量等于负载消耗的能量。所以在能量传输的阶段B，输出电流Ip为

即

式中，ILOAD为电容的充电电流。

图2 能量转换波形