[发明专利]累加电荷泵

说明书

技术领域

本技术属于电荷泵技术领域。

背景技术

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10V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

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，D1是防止反压二极管，C1是输入电容，C2是反馈电容，C3是累加电容。

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D1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，S1闭合使C1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，S1断开使C1与Ui隔离，S3断开使C2与C3隔离，S2闭合使C1与C2形成正向串联给C3充电，充电电压为C1与C2电压值的和。

设C1、C2、C3的初始化电压分别为U1、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，U1=Ui，U2=U3i，U3i=Ui-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D1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，S1闭合使C1充电到Ui，即U1=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，S1断开使C1与Ui隔离，S3断开使C2与C3隔离，S2闭合使C1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，C1的电压为U1=Ui，C2的电压为U2=(N-1)Ui+U3i，C3的电压值为U3=N×Ui+U3i。即工作过程中，C1的电压值始终都是输入电压Ui，C2的电压值在(N-1)Ui+U3i至N×Ui+U3i之间变化，C3的电压值U3=N×Ui+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。

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C1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。

从以上分析可知，输出有调整电路控制C1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S1的工作状态：改变S1的内阻或改变S1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。

附图说明

图1：累加电荷泵的原理图

图2：MOSFET无源驱动电路

图3：累加电荷泵的调频升压电路

具体实施方式

应用一、用累加电荷泵构成MOSFET的无源驱动电路。

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。

如图2是一个N_MOSFET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