負電壓電荷泵的改進

　　在圖1中，S1，S2，S3，S4采用的是功率MOSFET器件。功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點。由于功率MOSFET是單極性多子導電，故顯著地減小了開關時間。決定MOSFET開關速度的因素有開關電容的導通電阻和充、放電電流的大小，故為了獲得較高的采樣速度需要采用大尺寸的功率MOSFET和較小值的電容。然而柵極的驅動速度在很大程度上也決定了功率MOSFET的開關速度，這就需要提供具有高速驅動能力的電路來滿足這一要求。為了減小開關時間，可對MOSFET的驅動電路進行一定的改進。在實際應用中，功率MOSFET的輸出級還要帶負載，因此影響開關速度的大小的不光有驅動速度的問題，還有輸出負載大小的問題。

　　圖1 電容式電荷泵的內部結構

　　功率MOSFET的等效電路如圖2所示，輸入電容CIN＝CGS＋CGD輸出電容COUT＝CDS＋CGD，開關管的開通延遲時間為
　　上升時間為

　　式中，A為與UDS、UGS相關的系數(shù)；UGG為功率MOSFET柵極（直流）電源電壓；Ciss為功率MOSFET的柵極短路共源輸入電容。

　　整個開通時間為

　　由于Ron＝UGS／IOM，Ron為開關管的導通電阻，IOM為功率MOSFET的最大輸出電流，代入式（1-56）可得

　　由式（1-57）可知，開關的導通速度與通過開關電流的大小成正比，電流越大，ton越小，開關的速度越快。為提高MOSFET管的驅動速度，驅動電路應滿足以下要求。

　?、倌軌蛱峁┳銐虼蟮尿寗与娏?，即驅動電路的充電電阻要充分小，以縮短導通時間。

　?、诰哂凶銐虻男沽髂芰?，即放電電阻要充分小，以提高開關管的關斷速度。
　　根據(jù)以上要求，考慮到三極管導通電阻小的特點，并且由于互補對管可消除少數(shù)載流子存儲時間的影響，從而可以達到很高的驅動速度，因此可采用互補對稱型射極輸出器來驅動功率MOSFET，如圖3所示。

　　圖2 功率MOSFET極間電容等效電路

　　圖3互補跟隨電路

　　該驅動電路利用VT4、R2、R2組成模擬電壓源，以產生正向偏壓，并使其值等于或稍大于導通電壓，只要有信號輸入，VT1、VT2即可輪流導通，這可克服互補對稱管必然存在的交越失真現(xiàn)象。通過調整R1與R2的比值可以調整偏壓值的大小。

　　為了提高MOSFET的開關速度，應根據(jù)電容兩端電壓與時間的關系確定最小時鐘周期，以減小功耗，提高轉換效率。最小時鐘頻率確定的原則是：既要保證電容充、放電完全，又要盡量使用高頻時鐘，以減小電路功耗、提高轉換效率。

　　為了避免電容在沒有完全充、放電時即進人相對工作狀態(tài)，會對導通時間的準確性及對開關管性能造成影響，可采用非交疊時鐘信號。非交疊時鐘發(fā)生器的原理圖如圖4所示，ClK為原始的時鐘信號，Φ1和Φ2為相位相反的非交疊時鐘信號。

　　圖4 非交疊時鐘發(fā)生器的原理圖