十個電荷泵的設(shè)計方案以及經(jīng)典應(yīng)用案例

電荷泵也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC(變換器)。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負電壓。其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)(0.5,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。電荷泵大多應(yīng)用在需要電池的系統(tǒng),如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備，包括驅(qū)動用于手機背光的白光LED和毫瓦范圍的數(shù)字處理器。本文主要為您介紹了幾種電荷泵的設(shè)計方案以及電荷泵的實際應(yīng)用案例。

一種應(yīng)用于深亞微米存儲器的電荷泵設(shè)計

只讀存儲器的基本存儲單元只進行一次編程，編程后的數(shù)據(jù)能長時間保存，且在編程時需要流過mA級以上的電流，所以只讀存儲器編程時通常采用外加編程高壓，內(nèi)部的電荷泵。我們設(shè)計了一款電荷泵用以在存儲器中傳遞外部編程高壓。這種電荷泵利用高壓NMOS器件提高了耐壓特性并保證了正常工作，且增加了襯底偏置以縮短電荷泵的穩(wěn)定時間。

一種高性能CMOS電荷泵的設(shè)計

文中提出了一種基于偽差分結(jié)構(gòu)的具有高輸出阻抗和高充放電流匹配率的電荷泵電路。主要功能是將鑒頻鑒相器(PFD)的輸出信號up和down轉(zhuǎn)換為模擬的連續(xù)變化的電壓信號，用于控制壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率。當PFD的up輸出信號起作用時，電荷泵的電流源對環(huán)路濾波器進行充電，VCO的壓控端電壓升高，VCO的振蕩頻率也相應(yīng)改變。

一種大電壓輸出擺幅低電流失配電荷泵的設(shè)計

電荷泵對整個電荷泵鎖相環(huán)性能具有關(guān)鍵的作用，如果電荷泵的充放電電流能夠在很大的輸出電壓范圍內(nèi)具有高精度的匹配，在PLL鎖定某個頻率時，LPF提供給VCO的控制電壓將是一個常數(shù)，它將顯著降低VCO輸出頻率的抖動，提高VCO的相位噪聲特性，并且VCO可以具有很大的調(diào)諧范圍。本文提出的新型電荷泵結(jié)構(gòu)，可以輕易地實現(xiàn)充放電電流的數(shù)字控制，因為充放電電流的大小直接影響PLL的帶寬口，因此可以根據(jù)實際情況調(diào)整電荷泵的充放電電流來調(diào)整PLL的帶寬，實現(xiàn)帶寬可數(shù)字控制的PLL系統(tǒng)。

高效電荷泵，將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V

在便攜式產(chǎn)品中，常常利用低壓差線性穩(wěn)壓源（LDO）將5V 主電源轉(zhuǎn)換為3.3V，LDO具有低成本、小尺寸、低靜態(tài)電流及易于實現(xiàn)等特點，但其轉(zhuǎn)換效率很低，在這種應(yīng)用中效率一般為67%。一種可替代的方案是采用降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，轉(zhuǎn)換效率典型值可達90%，但需要外接電感，占線路板尺寸較大，價格相對較高。另一種解決方案是采用電荷泵，該方案彌補了LDO與開關(guān)穩(wěn)壓電源的不足，具有低成本、小尺寸、易實現(xiàn)、轉(zhuǎn)換效率高等特點。

DC-DC電荷泵的研究與設(shè)計

本文從電荷泵的基本原理出發(fā)，設(shè)計開發(fā)了一種負電壓電荷泵，詳細分析了它的工作原理，并在基本模型的基礎(chǔ)上針對開關(guān)速度以及功耗和轉(zhuǎn)換率等方面提出了一定的改進。

一種基于電荷泵的CMOS圖像傳感器

本文提出了基于電荷泵的CMOS圖像傳感器，使用一個簡單的電荷泵抬高重置脈沖信號的幅值，使像素單元中的充電節(jié)點電壓達到電源電壓；同時調(diào)整源極跟隨器的參數(shù)，拓展充電節(jié)點電壓在積分周期擺動范圍的下界，這兩種方案可以有效地提高充電節(jié)點電壓的擺幅，從而提高了傳感器的動態(tài)范圍。重置脈沖信號幅值的提高也減小了充電的時間常數(shù)，縮短了充電時間，從而可以提高圖像采集的幀率。

一種基于CMOS工藝的電荷泵鎖相環(huán)芯片的設(shè)計

鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個電信號的相位同步、頻率相同或倍頻，由4個基本部件即鑒相器、電荷泵、低通濾波器和壓控振蕩器組成。電荷泵將鑒相器的輸出信號放大，給低通濾波器的電容充放電。而環(huán)路低通濾波器是用來濾除鑒相器輸出誤差電壓中的高頻分量，起到濾波平滑作用，以保證環(huán)路穩(wěn)定以及改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲特性。最后，壓控振蕩器依據(jù)傳輸過來的控制電壓來改變輸出信號的頻率和相位，因此整個系統(tǒng)就形成了一個反饋系統(tǒng)，最終壓控振蕩器的輸出信號鎖定在參考信號的頻率和相位上。

利用負壓電荷泵和模擬開關(guān)構(gòu)建DD視波放大器

MAX9503/MAX9505 DirectDrive視頻濾波放大器集成了模擬開關(guān)(MAX9505)和負壓電荷泵。這些器件采用2.7V至3.6V單電源供電，可以與視頻DAC的輸出直接連接，在輸出端將視頻信號的黑電平置于地電位。這些器件省去了額外的負電源和大尺寸輸出隔直電容，從而降低系統(tǒng)成本、節(jié)省電路板面積。

利用電荷泵為高速CAN收發(fā)器供電

大部分CAN收發(fā)器總線驅(qū)動器需要5V電源供電。但電子系統(tǒng)的主電源通常不能滿足子系統(tǒng)的電源要求?？梢岳秒妷恨D(zhuǎn)換器產(chǎn)生所要求的電源電壓，對于低功耗、結(jié)構(gòu)簡單的低成本設(shè)計，電荷泵通常是最佳的選擇。它不需要昂貴的電感或額外的半導(dǎo)體器件，而且易于使用。

基于電荷泵的多LED驅(qū)動器

本應(yīng)用手冊展示了一個多功能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以生成和控制利用現(xiàn)代手機中的三個已有功能時所需的功率。除了帶全彩顯示的更大的顯示屏，閃光燈和手電筒也已經(jīng)被集成到嵌入式相機和夜視導(dǎo)航器中。這些功能都是通過一個采用標準電池的超亮LED來實現(xiàn)的。

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