十个电荷泵的设计方案以及经典应用案例

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电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(0.5,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。电荷泵大多应用在需要电池的系统,如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备，包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器。本文主要为您介绍了几种电荷泵的设计方案以及电荷泵的实际应用案例。
           
          一种应用于深亚微米存储器的电荷泵设计
          只读存储器的基本存储单元只进行一次编程，编程后的数据能长时间保存，且在编程时需要流过mA级以上的电流，所以只读存储器编程时通常采用外加编程高压，内部的电荷泵。我们设计了一款电荷泵用以在存储器中传递外部编程高压。这种电荷泵利用高压NMOS器件提高了耐压特性并保证了正常工作，且增加了衬底偏置以缩短电荷泵的稳定时间。
           
          一种高性能CMOS电荷泵的设计
          文中提出了一种基于伪差分结构的具有高输出阻抗和高充放电流匹配率的电荷泵电路。主要功能是将鉴频鉴相器(PFD)的输出信号up和down转换为模拟的连续变化的电压信号，用于控制压控振荡器(VCO)的振荡频率。当PFD的up输出信号起作用时，电荷泵的电流源对环路滤波器进行充电，VCO的压控端电压升高，VCO的振荡频率也相应改变。
           
          一种大电压输出摆幅低电流失配电荷泵的设计
          电荷泵对整个电荷泵锁相环性能具有关键的作用，如果电荷泵的充放电电流能够在很大的输出电压范围内具有高精度的匹配，在PLL锁定某个频率时，LPF提供给VCO的控制电压将是一个常数，它将显著降低VCO输出频率的抖动，提高VCO的相位噪声特性，并且VCO可以具有很大的调谐范围。本文提出的新型电荷泵结构，可以轻易地实现充放电电流的数字控制，因为充放电电流的大小直接影响PLL的带宽口，因此可以根据实际情况调整电荷泵的充放电电流来调整PLL的带宽，实现带宽可数字控制的PLL系统。
           
          高效电荷泵，将5V电压转换为3.3V
          在便携式产品中，常常利用低压差线性稳压源（LDO）将5V 主电源转换为3.3V，LDO具有低成本、小尺寸、低静态电流及易于实现等特点，但其转换效率很低，在这种应用中效率一般为67%。一种可替代的方案是采用降压型开关稳压器，转换效率典型值可达90%，但需要外接电感，占线路板尺寸较大，价格相对较高。另一种解决方案是采用电荷泵，该方案弥补了LDO与开关稳压电源的不足，具有低成本、小尺寸、易实现、转换效率高等特点。
           
          DC-DC电荷泵的研究与设计
          本文从电荷泵的基本原理出发，设计开发了一种负电压电荷泵，详细分析了它的工作原理，并在基本模型的基础上针对开关速度以及功耗和转换率等方面提出了一定的改进。
           
          一种基于电荷泵的CMOS图像传感器
          本文提出了基于电荷泵的CMOS图像传感器，使用一个简单的电荷泵抬高重置脉冲信号的幅值，使像素单元中的充电节点电压达到电源电压；同时调整源极跟随器的参数，拓展充电节点电压在积分周期摆动范围的下界，这两种方案可以有效地提高充电节点电压的摆幅，从而提高了传感器的动态范围。重置脉冲信号幅值的提高也减小了充电的时间常数，缩短了充电时间，从而可以提高图像采集的帧率。
           
          一种基于CMOS工艺的电荷泵锁相环芯片的设计
          锁相环能够实现两个电信号的相位同步、频率相同或倍频，由4个基本部件即鉴相器、电荷泵、低通滤波器和压控振荡器组成。电荷泵将鉴相器的输出信号放大，给低通滤波器的电容充放电。而环路低通滤波器是用来滤除鉴相器输出误差电压中的高频分量，起到滤波平滑作用，以保证环路稳定以及改善环路跟踪性能和噪声特性。最后，压控振荡器依据传输过来的控制电压来改变输出信号的频率和相位，因此整个系统就形成了一个反馈系统，最终压控振荡器的输出信号锁定在参考信号的频率和相位上。
           
          利用负压电荷泵和模拟开关构建DD视波放大器
          MAX9503/MAX9505 DirectDrive视频滤波放大器集成了模拟开关(MAX9505)和负压电荷泵。这些器件采用2.7V至3.6V单电源供电，可以与视频DAC的输出直接连接，在输出端将视频信号的黑电平置于地电位。这些器件省去了额外的负电源和大尺寸输出隔直电容，从而降低系统成本、节省电路板面积。
         
        利用电荷泵为高速CAN收发器供电
          大部分CAN收发器总线驱动器需要5V电源供电。但电子系统的主电源通常不能满足子系统的电源要求。可以利用电压转换器产生所要求的电源电压，对于低功耗、结构简单的低成本设计，电荷泵通常是最佳的选择。它不需要昂贵的电感或额外的半导体器件，而且易于使用。
           
          基于电荷泵的多LED驱动器
          本应用手册展示了一个多功能系统，该系统可以生成和控制利用现代手机中的三个已有功能时所需的功率。除了带全彩显示的更大的显示屏，闪光灯和手电筒也已经被集成到嵌入式相机和夜视导航器中。这些功能都是通过一个采用标准电池的超亮LED来实现的。
           
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李小路

谢谢分享！{:12:}

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