DC-DC电荷泵的研究与设计

图3　功率MOSFET极间电容等效电路
开关管开通延迟时间td=-CinRonln|1-VGS/VGG|
上升时间tr=2.2Ron(Ciss+(1-A)Cgd)，其中A为与△VDS/△VGS相关的系数。
整个开通时间ton=td+tr　　　　　　　（6）
由于Ron=VGS/IOM为开关管的导通电阻，代入式（6）可得：

（7）
由(7)式可知，开关的导通速度与通过开关的电流大小成正比，电流越大，ton越小，开关的速度越快。为提高MOSFET管的驱动速度,要求驱动电路:
a)能够提供足够大的驱动电流, 即驱动电路的充电电阻要充分小, 以缩短导通时间。
b)具有足够的泄流能力, 即放电电阻要充分小,以提高开关管的关断速度。
根据以上要求，考虑到由于三极管的导通电阻小的特点，并且对管互补作用消除了少数载流子存储时间的影响，可以达到很高的驱动速度，因此采用互补对称型射极输出器(图4)来驱动功率MOS开关管。

图4 互补跟随电路
该驱动电路利用V4、R1、R2组成模拟电压源，产生正向偏压，使其值等于或稍大于导通电压，只要有信号输入，R1、R2即可轮流导通，克服了互补对称管必然存在的交越失真现象。忽略IB4，

通过调整R1与R2的比值来调整偏压值的大小。

5 时钟控制信号

（1）为了提高MOS管的开关速度，我们来考察一下电容两端电压与时间的关系从而确定最小时钟周期，减小功耗，提高转换效率。
在不考虑沟道调制效应的前提下，电容在放电过程中所产生的电压输出与时间的关系：
VOUT=

(8)
其中t1为充电过程中MOS管从饱和导通到进入线性区的时间是一个和工艺有关的常数。
充电过程的输出电压和时间的关系：
VOUT=VDD-VTH-

(9)
由(8)、 (9)两式明确了输出电压与时间的比例关系后根据工艺和仿真工具确定最小时钟频率，既要保证电容充放电完全又要尽量使用高频时钟减小电路功耗提高转换率。

（2）为了避免电容在没有完全充放电时即进入相对工作状态影响导通时间的准确性及对开关管性能的影响采用非交叠时钟信号。图5即为非交叠时钟的产生电路，CLK为原始的时钟信号，Φ1和Φ2为相位相反的非交叠时钟信号。

图5 非交叠时钟发生器原理图


6 仿真结果
　　本文介绍的电路采用贝岭1μP阱工艺在Cadence IC 5.0下仿真工具SPECTRE的电路仿真波形如图6所示。

图6电路仿真结果
由仿真结果可知输出基本达到了预定要求-3V，误差不超过0.09V

小结
　　本文介绍了一种采用开关电容技术产生负电压的电荷泵电路，通过对其工作原理的分析找到一系列改进性能的切口。同时通过提高MOS管的驱动，提高了开关管的速度，增强了电路的稳定性及转换效率，实践证明这一电路是很有使用价值的。


参考文献：
[1] JOHN F DICKSON. On chip High-Voltage Generation in MNOS Integrated Circuits Using an Improved voltage Multiplier Technique. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, JUNE 1976:374
[2] Toru Tanzawa and Tomoharu Tanaka. A Dynamic Analysis of the Dickson Charge Pump Circuit. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, AUGUST 1997;VOL.32: 1231
[3] 张立等. 现代电力电子技术. 科学出版社. 1995