累加电荷泵的制作方法
【专利摘要】累加电荷泵，属于电荷泵【技术领域】。解决MOSFET无源驱动电路从VDS取压的升压问题。初始化完成后，S4、D1因D1的反偏截止，该支路断开。先通过S1闭合将Ui缓冲到C1上，同时通过S3闭合将输出C3的电压反馈到C2上，这一过程中S2断开；然后通过S2闭合，S1、S3同时断开使C2串联C1给C3充电，实现对Ui电压的累加。每一个工作周期结束后各电容的电压为，U1=Ui，U2=U3-U1，U3=N×U1+U2，N即是开关周期数。应用于MOSFET的无源驱动电路、小功率升压型电荷泵等。
【专利说明】累加电荷泵【技术领域】
[0001]本技术属于电荷泵【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在电容源的电容矩阵中，用MOSFET实现电容的串并联转换，使用有源的MOSFET驱动芯片就需要给每个驱动芯片加上电源，这使得MOSFET的应用很不方便。功率型MOSFET驱动的最小电压不低于10V，因为负载电流不确定性使MOSFET工作时的漏极-源极电压降不一致，从零点几伏到两三伏的都有，不同的漏极-源极工作电流其压降也不同。要实现无源的MOSFET驱动，驱动电路的电压就必须使用升压电路，将MOSFET的漏极-源极电压升压到IOV以上，以供驱动电路工作使用。由于输入电压的可变性，使用现有的电荷泵模式输出无法达到要求。累加电荷泵能适应不同的输入电压:输出电压与输入电压的高低无关，只与稳压电路设定的输出电压值相关。
【发明内容】
[0003]累加电荷泵工作原理图，如图1。S1、S2、S3是累加工作时的开关管，S4、D1是电荷泵初始化时Ui给C3充电的电流通路，Dl是防止反压二极管，Cl是输入电容，C2是反馈电容，C3是累加电容。
[0004]初始化时，S4先闭合，给电容C3充电，充电值为输入电压减去二极管Dl的压降。累加电荷泵的一个周期分为两个过程:第一个过程为S1、S3同时闭合且S2断开，SI闭合使Cl充电到Ui的值，S3闭合使C2充电到C3的电压值；第二个过程为S1、S3同时断开且S2闭合，SI断开使Cl与Ui隔离，S3断开使C2与C3隔离，S2闭合使Cl与C2形成正向串联给C3充电，充电电压为Cl与C2电压值的和。
[0005]设C1、C2、C3的初始化电压分别为Ul、U2、U3i，二极管压降为UD，累加过程中C3的电压为U3。则第一个周 期的第一个过程结束时，Ul=Ui, U2=U3i, U3i=U1-UD ;第一个周期的第二个过程结束时，C3的电压值为U3=Ui+U3i。此时，二极管Dl由于C3的电压值高于Ui而反偏截止，防止S4中有反向电流通过，S4开或关对电荷泵工作已经没有影响。第二个周期时，重复第一过程为S1、S3同时闭合且S2断开，SI闭合使Cl充电到Ui，即Ul=Ui, S3闭合使C3的电压值反馈到C2，则U2=U3=Ui+U3i ;重复第二个过程为S1、S3同时断开且S2闭合，SI断开使Cl与Ui隔离，S3断开使C2与C3隔离，S2闭合使Cl与C2形成正向串联给C3
充电，则U3=Ui+Ui+U3i=2Ui+U3i。......第N个周期结束时，Cl的电压为Ul=Ui，C2的电压为
U2= (N-1)Ui+U3i，C3的电压值为U3=NXUi+U3i。即工作过程中，Cl的电压值始终都是输入电压Ui，C2的电压值在(N-l)Ui+U3i至NXUi+U3i之间变化，C3的电压值U3=NXUi+U3i。如果没有稳压控制，这个过程将会一直持续下去，直到电路的漏电流与输入电流达到平衡，C3的电压U3将不会再上升。
[0006]如果没有S4、D1给C3的初始化充电电压U3，累加电荷泵将不能完成累加工作。如图1，由于S1、S3断开S2闭合时，C1、C2、C3所组成的回路为串联回路，这个回路只有Cl有电荷提供充电电流，C2充得下正上负的电压，C3充得上正下负的电压，当要进行反馈将C3的电压U3反馈到C2时，由于U2与U3的电压极性相反，C2与C3的电荷将会被中和，无法完成反馈，也就不会进行累加。
[0007]从以上分析可知，输出有调整电路控制Cl的充电电压时，整个累加过程是可控的。当输出电压达到调整电路所预设的电压值时，调整电路开始控制开关Si的工作状态:改变Si的内阻或改变SI的工作频率，以达到输出电压不再累加Ui的满额值，或在一定工作周期数内累加Ui的个数减少，都能使输出电压不再上升，达到调整电路所预设的电压值。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1:累加电荷泵的原理图
[0009]图2 =MOSFET无源驱动电路
[0010]图3:累加电荷泵的调频升压电路
【具体实施方式】
[0011]应用一、用累加电荷泵构成MOSFET的无源驱动电路。
[0012]MOSFET关闭时，为了尽量减小漏电流，要求无源驱动电路在MOSFET关闭期间，应该停止工作，只由电容存储的电荷维持被驱动MOSFET的关闭；而开通时，要迅速建立驱动电压电流，并且要提供持续的驱动电流维持MOSFET的可靠开通。
[0013]如图2是一个N_M0SFET的驱动电路。Vi是控制信号输入端，Vd, Vs、Vg分别接MOSFET的漏极D、源极S、栅极G。图2中用虚线分出了三部分:带稳压的累加电荷泵、方波振荡器、驱动输出级。其中，方波振荡器和驱动输出级的主体均由晶体管电桥构成。例如
[0014]驱动输出级的晶体管电桥由晶体三极管Q14、Q15、Q16、Q17和触发电流电阻R15、R16以及输入电阻R14组成，R15、R16为等值电阻。Q14、Q15的基极-射极是逆着电流方向并联的，任意时刻其中一只导通时，另一只将得到基极-射极的负压。比如Vi接Vs时，G点通过D4被接在Vs上，因Vg为Ui的中点电压，则E点电压低于Vg，形成触发电流路径:U1、R15、Vg点、Q15基极-射极、E点、R14、G点，Q15因正向基极电流导通，Q14得到负向的基极-射极电压截止。Q15导通使Q17导通，Q17的集电极电流在Q15的基极形成基极电流的叠加，由此形成了 Q15、Q17的正反馈过程，直到Q15、Q17均饱和，R15被Q17短路，Vg点直接由Q17驱动输出，Vd对Vs为N_M0SFET的导通压降；同时Q14的基极-射极负压使Q14、Q16所组成的正反馈可靠截止。当Vi对Ns开路时，D4失去正向电流截止，Q15、Q17因Q15基极-射极电流减小正反馈截止，Q16、Q17均不导通，Vg点电压重新回到以R15、R16分压的中点电压Ui / 2，由于G点通过R13接在Ui上，则E点电压高于Vg点电压，形成触发电流路径=G点、R14、E点、Q14射极-基极、Vg点、R16、Vs, Q14因正向基极电流导通，Q15得到负向的基极-射极电压截止。Q14、Q16正反馈饱和，R16被Q16短路，Vg点直接由Q16驱动，Vd对Vs为N_M0SFET的开路压降；同时Q15的基极-射极负压使Q15、Q17所组成的正反馈可靠截止。由前分析知道这个晶体管电桥的特点:触发电流电阻R15、R16只需提供Q15、Q16的基极触发电流，输入电阻R14只需提供输出管Q16、Q17维持饱和的最小基极电流，在输出点Vg以正反馈形式翻转到Ui或Vs的过程中，不会有Ui对Vs短路的情况。[0015]方波振荡器。
[0016]Vi接Vs且电容C没有电压时:由Q13、Q12、Q11、Q10以及电阻Rll、R12、R组成的晶体管电桥的B点高于A点，该电桥翻转为Q13、Q11饱和Q12、Q10截止，B点电压等于Ui，A点电压低于B点一个PN结电压，A点通过R给C充电形成Ql I的射极电流，维持B点电压等于Ui ;当C的充电电流不能维持Q13的最小基极饱和电流时，Q13、Q11截止，由于C被充电到接近于Vg，A点高于B点，Q12、Q10饱和，B点电压等于Vs电压，C通过R放电形成QlO的射极电流，维持B点等于Vg。当放电电流不能维持Q12的最小基极饱和电流时，Q12、Q10截止，然后重复由于A点电压低于B点电压的过程，完成持续振荡过程。Q7、Q6、Q9、Q8以及电阻R9、R8、RlO构成了一个反相器，由于C点受B点控制，使D点的电压输出相位与B点反相180度:B点为Ui电压时，C点高于D点使Q8、Q6饱和，D点由Q6驱动输出Vs电压；B点为Vs电压时，C点低于D点使Q7、Q9饱和，D点由Q7驱动输出Ui电压。
[0017]带稳压的累加电荷泵。
[0018]累加电荷泵。当B点接U1、D点接Vs时:B点通过R5-R3和R6分别使Q2、Q5导通；D点通过R7使Q3截止。电容Cl通过Q2的射极电流充电(Dl是防止初始化时Cl的过充)，C3通过Q5将其电压反馈到C2形成对C2的充电电流。当B点接Vs、D点接Ui时:B点的Vs电压使Q2、Q5截止；D点通过电阻R7使Q3导通。C1、C2通过Q3形成串联向C3充电完成累加。此后重复这个过程。
[0019]稳压控制。当Vi接Vs时:由于Vg接在Ui上，当Vg使R1、R2的分压值让Ql导通时，F点的电压开始下降，Q2的基极电压被迫下降，由于Cl的正极接在了 Q2的射极，当Cl要继续充高电压时Q2的射极电流就会减小，甚至处于微导通状态，从而限制Cl的充电电压不是满额的Vd-Vs电压，使C1、C2串联向C3充电时，累加到电容C3上的电压被减小，限制C3上的电压进一步上升，起到稳压的作用。
[0020]当Vg为Vs电压时，Rll和R9均没有触发电流，振荡器和反相器同时停止工作，累加电荷泵因没有开关脉冲也停止工作。
[0021]D4是防止Vi对Vs开路时，Q4的射极-基极通过R4、R14、Q14、Q16形成导通电流，造成非正常的MOSFET截止时的漏电流。振荡电路的振荡频率直接由RC决定。D3是防止Q4在MOSFET导通时有反向的集电极电流通过。Ql的集电极接在F点而不直接接在Q2的基极，因为R5、R3分压后的F点可以将Q2的基极电压调节到更细，使输出电压Ui有更小的纹波电压。采用调节Cl充电电压幅度而不采用频率调节也是为了降低Ui的纹波电压。
[0022]Vd-Vs为MOSFET的导通电压且Q2导通时:由于B点电压高于Vd电压，Cl的正极由于接在了 Q2的射极，Cl的电压是可以充电到比Vd电压高的，这会造成Q2有基极-集电极的反向电流。这可以通过设置工作频率解决:因为晶体管的基极-射极内阻总会比集电极-射极内阻大，并且由于电阻R5、R3的存在进一步加大了 Q2的基极-射极电阻。VcUUi均是对电容Cl充电，集电极-射极充电回路的时间常数要远小于基极-射极充电回路的时间常数，所以，只要控制适当的工作频率，反向的基极-集电极电流是可以控制的。由于MOSFET轻载时Vd-Vs压降很低，甚至会低于PN接的导通电压，所以采用射极充电的方式。可以有两个作用，一是初始化完成后，只要MOSFET开通有Vd-Vs压降，驱动电路就能正常工作，二是没有Q2射极-基极的反向高压造成Q2的发射结击穿。
[0023]当电荷泵的初始化完成后，MOSFET的关闭到开通的时间应小于电容C3放电到最低驱动电压的时间，以避免频繁的初始化造成输出Vg与输入Vi的不同步。
[0024]应用二:由累加电荷泵的调频方式构成的升压电路如图3。
[0025]这个电路将振荡器和反相器接在了输入端，它是在输入电压Ui相对稳定的条件下应用的，比如用一节1.5V的电池供电，它的输出可以设置到任意值，只要电池的电压高于一个PN结的导通电压，累加电荷泵就能完成升压工作。由晶体管电桥的结构看出只要Ui与GND之间的电压够一个PN结的饱和电压，振荡器就能正常振荡，反相器也能正常工作。
[0026]上电时，Dl给电容C3完成初始化充电，Ui通过R7、Q11的基极-射极、电容C、电阻R给电容C充电，使Q9、Qll饱和同时使Q8、QlO截止，C的充电维持B点为Ui的电压，B点通过R8、Q6的射极-基极、R4使反相器形成Q6的基极触发电流，Q6、Q4饱和使C点维持低电压，同时Q5、Q7截止，反相器输出D点为GND的电压。B点的Ui电压使Q2导通，D点的GND电压使Ql导通Q3截止，电容C3的电压反馈到C2，电容Cl充得Ui的电压。电容C的充电电流不能维持Q9、Qll饱和时，Q9、Qll翻转为截止，同时由于电容C已被充电到Ui, B点的电压比A点低，使Q8、QlO翻转为饱和，C的放电电流使Q8、QlO的饱和状态维持，B点输出GND的电压，C点通过R8被B点接在了 GND上，反相器的D点输出Ui的电压；B点的GND电压通过R2使Q2截止，D点的Ui电压通过Rl使Ql截止同时通过R3使Q3导通，电容Cl、C2形成串联给电容C3充电。当振荡电容C的放电电流不能维持Q8、QlO饱和时，由于C放电使A点电压低于B点电压，输入Ui又通过电阻R7、Q11的基极-射极、电容C、电阻R给电容C充电，又形成对Qll基极的触发电流，此后重复振荡过程，使Uo的电压不断的累加输入Ui的值。
[0027]当R9、R10的分压点E点电压使Q12导通时，Q8的基极电流被Q12分流，Q8的集电极电流减小，QlO的基极电流减小，Q8、QlO的导通内阻增加，从而使整个放电路径:振荡电容C从A点、Q10、Q8、振荡电阻R、到电容C的负极的放电电阻增加，放电时间变长，B点维持GND电压的时间变长，D点维持Ui电压的时间变长，Cl、C2串联向C3的放电时间变长，从而使放电电压更低，而充电时间常数没有变，这就间接的控制了充电最终电压的降低，从而达到使输出电压Uo恒定的效果。当输出电压Uo没有达到预设值时，控制电路的Q12是没有分流作用的。
[0028]输入采用PNP管没有反向基极-集电极电流的情况。由于输入没有高于输出的情况，所以这里没有使用图2中的Q4，图3中的Dl只需要完成初始化后将输入输出隔离就可以了。C4是为了维持输出在一定的稳定范围内的，因为调频工作方式会使输出在Ui电压较高时输出有较大的纹波，采用C4使Q12的基极电压稳定，从而避免振荡器有频繁的共振现象，使输出不稳定。
【权利要求】
1. 一种由开关、二极管、电容构成的升压电荷泵，其包含的四个特征分别为:开关一(SI)的一端连接在输入端(Ui),电容一(Cl)的一端和开关二(S2)的一端均连接在开关一(SI)的另一端，电容一(Cl)的另一端连接在公共端(GND)。
2.电容二(C2)的一端连接在输出端(Uo)，开关三(3)的一端和开关二(S2)的另一端均连接在电容二(C2)的另一端，开关三(3)的另一端连接在公共端(GND)。
3.开关四(S4)的一端连接在输入端(Ui)，开关四(S4)的另一端连接在二极管一(Dl)的正极，二极管一(Dl)的负极连接在输出端(Uo)。
4.电容三(C3)的一端连接在输出端(Uo)，电容三(C3)的另一端连接在公共端(GND)。
【文档编号】H02M3/07GK103441669SQ201310379545
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年7月21日
【发明者】不公告发明人 申请人:马东林