高效倍壓器由通用 CMOS 反相器制成

出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2024-03-05 16:18:22 | 387 次閱讀

　　當(dāng)設(shè)計(jì)需要輔助電壓軌并且相關(guān)電流負(fù)載適中時(shí)，電容器泵電壓倍增器通常是最簡單、最便宜且最有效的制造方法。
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　　其中最簡單的是二極管泵倍壓器。它僅由兩個(gè)二極管和兩個(gè)電容器組成，但具有固有的缺點(diǎn)，即需要單獨(dú)來源的方波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并產(chǎn)生至少兩個(gè)二極管壓降小于電源軌兩倍的輸出電壓。需要有源開關(guān)（通常使用 CMOS FET）來避免這種低效率并準(zhǔn)確地將電源加倍。
　　CMOS 倍壓器芯片是現(xiàn)成的。Maxim MAX1682 就是一個(gè)例子。它適用于當(dāng)前負(fù)載不太重的應(yīng)用，但它（和類似設(shè)備）并不是特別便宜。考慮到通用 CMOS 開關(guān)芯片（如 74AC14）的單片售價(jià)為 50 美分，1682 單片的成本接近 4 美元，這讓我們很想看看是否可以做得更好。

　　這樣做的計(jì)劃從圖 1開始，顯示了 CMOS 邏輯反相器的簡化草圖。

　　圖 1典型基本 CMOS 柵極 I/O 電路的簡化示意圖，顯示鉗位二極管和互補(bǔ) FET 開關(guān)對。

　　注意輸入和輸出鉗位二極管。這些由制造商放置在那里，以保護(hù)芯片免受 ESD 損壞，但二極管就是二極管，因此也可以執(zhí)行其他有用的功能。同樣，P 溝道 FET 對旨在在輸出邏輯“1”時(shí)將 V+ 軌連接到輸出引腳，在輸出邏輯“1”時(shí)將 N 溝道連接到 V- 到引腳。但 CMOS FET 愿意在任一方向傳導(dǎo)電流。因此，從引腳流向電源軌的電流與從電源軌流向引腳的電流效果相同。

　　圖 2顯示了這些基本事實(shí)與電荷泵和電壓倍增的關(guān)系。
　　圖 2簡化的倍壓器，顯示驅(qū)動(dòng)器器件 (U1)、換向器件 (U2) 以及耦合 (Cc)、泵 (Cp) 和濾波器 (Cf) 電容器。
　　Imagine two inverters interconnected as shown in Figure 2 with a square-wave control signal coupled dire想象一下，如圖2所示，兩個(gè)逆變器相互連接，方波控制信號直接耦合到U1的輸入端，并通過直流阻塞帽Cc耦合到U2，U2的輸入箝位提供直流恢復(fù)。
　　考慮一下方波的一個(gè)半周期。U1和U2的N溝道FET都將導(dǎo)通，將Cp的U2端連接到V+，將U1端連接到地，從而將Cp充電到V+。注意，由于Cp驅(qū)動(dòng)引腳為負(fù)，U2輸出引腳的電流極性相反。
　　現(xiàn)在考慮一下當(dāng)控制信號反轉(zhuǎn)為零時(shí)會發(fā)生什么。
　　P FET 將導(dǎo)通，而 N FET 將關(guān)閉。這迫使之前由 Cc 接受的電荷通過 U2 的輸出和 V+ 引腳轉(zhuǎn)儲到 Cf，從而完成電荷泵循環(huán)，將一定量的正電荷沉積在 Cf 上。請注意，再次出現(xiàn)流過 U2 的反向電流。該循環(huán)隨著控制信號的下一次交替而重復(fù)，依此類推。
　　在啟動(dòng)期間，直到 Cf 上積聚足夠的電壓以供 U2 內(nèi)部電路和 FET 柵極驅(qū)動(dòng)正常運(yùn)行之前，U2 鉗位二極管用于整流 Cp 驅(qū)動(dòng)信號并開始對 Cf 充電，直到 FET 可以接管。

　　理論就講這么多。將圖 2 轉(zhuǎn)換為完整的倍壓器如圖 3所示。

　　圖 3完整的倍壓器：由 R1C1、施密特觸發(fā)器、驅(qū)動(dòng)器 (U1) 和換向器 (U2) 設(shè)置的 100 kHz 泵時(shí)鐘
　　74AC14 施密特觸發(fā)器 U1 的引腳 2 上輸出 100 kHz 泵時(shí)鐘。該信號被路由至 U1 的其余 5 個(gè)柵極和（通過耦合電容 C2）U2 的 6 個(gè)柵極。正電荷通過 C3 轉(zhuǎn)移到 U2，并從那里累積在過濾器帽 C5 上。
　　盡管 U2 并不真正需要施密特磁滯，但還是為其選擇了另一個(gè) AC14，以追求匹配的開關(guān)延遲時(shí)間，從而提高電荷傳輸?shù)男蚀龠M(jìn)同步性。一些性能規(guī)格 (V+ = 5V) 包括：
　　10V輸出阻抗：8.5Ω
　　最大連續(xù)負(fù)載：50 mA
　　50 mA 負(fù)載時(shí)的效率：92%
　　25 mA 負(fù)載時(shí)的效率：95%
　　空載功耗：440 W
　　啟動(dòng)時(shí)間 < 1 毫秒

　　那么，如果僅僅將 V+ 加倍還不夠的話會發(fā)生什么呢？如圖4所示，該設(shè)計(jì)可以輕松級聯(lián)以形成高效的電壓三倍器。擴(kuò)展到更高的倍數(shù)也是可能的。

　　圖 4添加四個(gè)廉價(jià)部件足以使電源電壓增加三倍。

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