電荷泵在電能變換、電機驅動與存儲電路中占有重要地位。H橋驅動、EEPROM的讀寫及EL驅動都需要使用電荷泵。傳統升壓電路利用電感電流的不突變特性升壓，通過PWM控制方式來穩定輸出電壓。這種電路存在不可忽視的缺點：由于PWM控制方式在輕載時頻率固定，開關損耗并未隨負載減小而降低，因此，PWM式電荷泵在輕載時效率較低[1]。作為電感式電荷泵的一種替代，電容式電荷泵得到了很好的發展，電容式電荷泵電路以其電路結構簡潔、制造成本低、開關頻率高、效率中等偏上及電磁干擾小的優點，得到了廣泛的應用。
    本文針對傳統的電容式電荷泵，提出了一種新穎的改進結構，具有較小的電磁干擾，且在輕載時也有很高的效率。

    由式(1)可知，最終的輸出電壓與電荷泵的級數和輸入電壓大小與二極管的正向壓降有關。這種傳統的電荷泵雖然具有結構簡單、便于片內集成等優點，但是存在不可忽視的缺點，如輸出電壓固定不可調，輕載時自身功耗太大等，特別值得一提的是，由于內置二極管多應用于正向通導狀態，隨著級數的增多，當前一級電容對下一級充電時，很大一部分電荷通過寄生BJT流入襯底，不但引入了襯底噪聲，而且降低了輸出帶負載的能力。此外，當輸入電壓較高時，這種電荷泵的結構也不適合。
2 高壓自適應頻率電荷泵
    為解決輸入電壓與輸出電壓之差在一定范圍內可調及輕載效率較低的問題，本文提出了一種高壓自適應頻率電荷泵。以兩級升壓電路為例，總體電路如圖2所示。該電路分為3個部分，即電平變換電路、變頻振蕩電路及兩級升壓電路。其中變頻振蕩電路工作在標準5 V電壓，電平變換電路與兩級升壓電路工作在高壓。在流片的設計中，標準電壓VDD=5 V，VIN=40 V，設計輸出電壓VOUT=45 V，VREF1=VDD=5 V，VREF2=1.25 V。
    該電路的整體工作原理如下：首先，電平變換電路在輸入電壓、輸出電壓及VREF1的作用下，生成一個隨輸出/輸入電壓之差線性變化的低壓參考電壓VE1并送入變頻振蕩電路。變頻振蕩電路在參考電壓VE1的作用下，產生一個特定頻率的振蕩信號，通過“與非門”NOR1_1與NOR2_2生成兩路互為反相的時鐘。兩級升壓電路在時鐘的控制下，將電容C1上的電荷有序地傳遞至電容C2上，以達到升壓的目的。下面詳細分析各部分電路工作原理。
   
    由式(4)可知，AMP1的輸出電壓跟VIN與VOUT的差值成線性關系。
2.2 兩級升壓電路
    兩級升壓電路包括：由R1、R2和M1組成的電平移位電路，由M2和M3組成的反相器，驅動管M4及外置電容C1和C2。忽略二極管正向壓降及MOSEFT的開關壓降，設開關動作前輸出電壓為VOUT0，當M2的柵極邏輯為1時，電容C1通過D1、R3與M2充電；當M2的柵極邏輯為0時，M2截止，M4開通，電容C1的下極板電位上升至VIN，此時電容C1的電荷轉移至C2，由電荷守恒定律得C2上變化的電壓為：
  
    從式（5）可看出，每次開關動作后，輸出電壓變化量與上周期的輸出電壓VOUT0相關，在兩級升壓結構中，極限輸出電壓為輸入電壓的2倍。圖2中的R3為限流電阻；D1和D2為肖特基二極管，以減小寄生BJT效應。

2.3 變頻震蕩電路
    在變頻振蕩電路中，由COMP1及COMP2組成窗口比較器，其比較結果通過施密特觸發器SMIT1、SMIT2，“與非門”NAND2、NAND3及“非門”INV1的整形，再經過D觸發器的處理，在“或非門”NOR2_1及NOR2_2的輸出端得到了兩個不同時為1時鐘信號，RESET為使能端口且1有效。該子電路的振蕩頻率由電平變換電路的輸出VE1決定，詳細分析如下：
    假設某一個時刻INV1輸出端為1，D觸發器的Q端輸出為1，“或非門”NOR2_1和NOR2_2輸出為0，“與非門”NAND3的輸出也為1，此時，由R10、C3組成的RC電路充電。充電時，比較器的輸入電壓介于VREF1與VREF2之間，兩個比較器輸出1，RS觸發器處于鎖存狀態；隨著時間的推移，當C3的電壓高于VE1時，比較器COMP1輸出0，RS觸發器復位，INV1和NAND3輸出0，NOR2_1和NOR2_2輸出分別為0和1；隨后，RC回路放電，當C3電壓低于VREF1時，比較器COMP2輸出0，RS觸發器置位，INV1和NAND3輸出1，此時D觸發器輸出0，NOR2_1和NOR2_2輸出為0；此后RS回路繼續充電，當C3超過VE1時，RS觸發器復位，NOR2_1和NOR2_2輸出分別為1和0；RS觸發器再次放電，當低于VREF1時，RS觸發器再次置位，NOR2_1和NOR2_2輸出為0。如此不斷重復。

 
    可見，電路的紋波與電容C1、C2的比值有關。
3 仿真及測試結果
    對電路進行仿真，得到圖3所示的圖形。圖3中上半圖形對應的負載電阻為45 kΩ，而下半圖形對應的負載電阻為500 kΩ，且一個鋸齒波對應振蕩電路的2個RC振蕩周期。由圖可知，RC振蕩電路的振蕩頻率與負載有關，輕載時振蕩頻率較低，重載時振蕩頻率較高，以維持輸出電壓。與固定頻率的電荷泵相比，本電荷泵最大的優點是輕載時功耗低、EMI小及輸出-輸入電壓差值可調。與電感式電荷泵相比，沒有大電感，便于集成，且噪聲低。該電荷泵使用了華潤上華半導體有限公司的ST3800 BCD工藝，面積為0.6 mm×1 mm，由于內部集成了功率肖特基二極管及高壓MOSEFT，因此面積稍大。

    圖4為流片的測試結果，電路設計了輸出-輸入電壓差為5 V。在測試中，負載電阻為45 k?贅，外置電容C1、C2分別為10 nF和220 nF。在Vin為45 V處，測得輸出電壓約為45.8 V，與第1節計算的結果基本相符。由圖4可知，在15~30 V輸入電壓段，輸出-輸入電壓差約為5.2 V；而在30~50 V輸入電壓范圍內，輸出-輸入電壓差略大于5.2 V，這主要是由電平變換電路中晶體管與電阻的不匹配及功率器件的局部溫升引起的。

    本文的電荷泵具有性能穩定、輕載時本身功耗低、輸出-輸入電壓差靈活可調的優點。由于是兩級結構，其極限輸出電壓為輸入電壓的2倍，要提高輸出-輸入電壓差，只需要增加級數。因此，可以方便地集成到各種功率芯片(如步進電機驅動、LLC諧振驅動器及相移式全橋開關電源驅動器)中，也可以獨立應用于低噪聲升壓中。
參考文獻
[1] 陳曉飛，鄒雪城，李高，等.帶跳周期模式的高效升壓DC/DC變換器[J].電子技術應用，2008，34(4)：63-65.
[2] Yan Na，Hao Min.An improved charge pump with high efficiency for low voltage operations[C].The 6th International Conference on ASIC(ASICON 2005)，Shanghai，2005：578-581.
[3] RICHARD J F，SAVARIA Y.High voltage charge pump using standard CMOS technology[C].The 2nd Annual IEEE Northeast Workshop on Circuits and Systems，Montreel，2004：317-320.
[4] 李瀚蓀.簡明電路分析基礎[M].北京：高等教育出版社，2002.
[5] 巴索(BASSO C P).開關電源SPICE仿真與使用設計[M].呂德璋，譯.北京：電子工業出版社，2009.