电荷泵负压产生系统

负电压是相对而言的，负电压是相对于参考地而言的，正电压普遍存在，因 为日常生活中所说的电压都是正电压，负电压接触的范围比较少，但负电压是一 些器件，如运放，T-CON的供电，通讯接口需要。等均需要负电压，此时就需要 一个将正电压转换为负电压电路，本文所说的电话使用电荷泵原理将正电压转换 负电压，此电路简单，实用，成本低。本文最开始将介绍电荷泵产生负压基本拓扑，再接着在此基础上不同的连接 的方式形成倍负压，最后形成一个系统；在此过程中本文将详细分析过程，最后 使用PSpice进行电路仿真进行结果验证。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”（ flying） 或“泵送”电容（而非电感或变压器）来储能的DC-DC （变换器）；定义：也称为 开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”（flying）或“泵送”电容（而非 电感或变压器）来储能的DC-DC （变换器）。电荷泵原理：电荷泵的基本原理是， 通过电容对电荷的积累效应而产生高压，使电流由低电势流向高电势。通俗来讲 就是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个 电路上，传递刚才隔离的电荷。形象地来说，可以把这个传递电荷的电容看成是 “装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒 进一个大水箱一，负压产生电路的基本拓扑D2ARl2H卜分析负压产生过程：1.当Vin为高电平时，此电流工作路径为：d=dDlM7A*TT电压通过C1与D1对地放电，此时C1被充满左正右负的电压，C1的右边 被二极管D1钳位至一个管压降。2. 当 Vin 为低电平时，此电流的工作路径为：D2A八KiTVin为低电平时，电容C2被充满下正上负电压；C1的左边由高电平变化 为低电平，因为电容两边压降不能突变，C1的右边电压有一个管压降电 压减去高电平，此时 C1 的右边为负电压；随着时间变化，系统逐渐稳定， 系统输出的电平为高电平-二极管D1的管压降-二极管D2的管压降。此时各状态的电压波形如下图所示乜X农屯科如g倒 肿皿测铉利肿PSPICE 仿真结果波形仿真电路图为：波形：救討哦琲M* S.tlV-5.Wds11115YCPIH) 0 VlCJsl)5msTirueU -ME由波形看C3电容两边波形与分析基本类似；输出Vout最终稳定在-3.9V左右二.负电压产生倍压基本拓扑拓扑一：pwmC6O.luFO.luFC7O.luF-r C5C8O.1uF-0电路分析过程较基本拓扑比较类似，省略如图为各时间段波形情况：I;wa *绕氯直了規針.和仰瞬出此拓扑特点为：后级电容两端电压会越来越大，电容耐压要求较高，但此拓扑电路纹波较小Pspice 仿真原理图pwm0仿真波形：拓扑二：C18O D120.1uF0.1uFPspice 仿真原理图D12O.luFO.luFC9分析过程不在叙说，此拓扑是在基础拓扑上变化而来的，此拓扑特点：每个电容 上的电压不会超过PWM电压U的两倍，即2U,所以可以选用耐压较低的电容。缺点是电容是串联放电，纹波大。仿真波形拓跋三：拓扑三是在拓扑二的基础上改进，此电路纹波小，但电路复杂，成本高以上三种拓扑为基本拓扑的一次倍压，多次将基本拓扑串并联可得到更高的负电仿真原理图：C12C16C150.1uF仿真波形：三.PWM信号产生PWM信号产生电路各种各样,本文档是使用NE555震荡器构成多谐振荡器。NE555 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时 范围极广，可由几微秒至几小时之久。它的操作电源范围极大，可与 TTL，CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电 路的高、低电平匹配。其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。Pin 脚图8RCOR5RR2DR7引功僥1GND (:地接也，作为低电干C0V）2TRIG（:蝕发“i此引脚电压降至価心或血控制端抉疋的闽憤电压时输出端给出高电平3OUT输出输出高电平3心）或低电半*斗RST 却小当此引制接髙屯平时定时棒匸作，当此引脚接地时芯片星位，柿出低屯平.5CTRL t控制）挖刑芯片的阑值电压.C当此管卿接空时默认两阑値电M为1尽心与2/31/cQ 一6THR丨阖值）当此引胸电压升至2/3心（或山控制郦按址的囲隹电压时输出需给出低电平7IS敞电）内接ocr：,用丁沿电界敵电匚6y+.Vcu供电捉供拓电平并給芯卄供电。本文档是使用NE555形成占空比50%的多谐振荡器。电路如图所示F面详细分析下NE555的工作过程当电源通过R1, D1, C2回路进行充电，当电压充至ZVCC,输出跳转成低电平；3当输出低电平时，NE555的第7pin开始通过C2,D2,R2进行放电，当C2 上电压 降低至片冬厂输出将会跳转至高电平，此时C2又开始通电，周而复始，输出成 方波充电过程：th = R1C2ln2放电过程：勺=R2C2ln2通过公式可知，当R1二R2,上升时间与下降时间相等，输出方波占空比相等仿真波形：4. rl!trZOs0 s Ieij-4L Ft?CL * 工50-5ois亿自1日OJiuCL PusCL hasI.OduViWf）夺 Vm；TRIGGERNE555 仿真注意实现：NE555 首先搭建平台，使用 PSpice 仿真，当仿真并没有方波产生，波形如图所-t- -i-f-r 1 ! S-IS* -I - - r ri!TT_ ； ； ：.丄.4-4!*-I十.丁工；皿6 HAtIiw十一即十BBSS卜一啤= ； ； ；-t-!+4.O76Vi.077vOS皿VIIH 泊 UTPUTFa.07v通过摸索，最后在 Simulation Setting 中在 Skip the initial transient bias pointcalculation（SKIPBP）打勾（如图所示），再次仿真，输出方波产生,General Ama：lysis Configuration Files Options Data Collectioni Probe WindowAnalysis type：Time Domain (TransientRun to Hme100ms seconds (TSTOPJStar! saving dtfa aftei DsecondsOptionsMonte CaHo/Wcrst Parametric Sweep Temperature (Sweep) Save Bi呂各 PointLoad Bias PointS&ve 匚 heck. Points Restart SimulationT ransient aption$系统原理图5Vdc0C40.1uF0DISCHARGE2456TRIGGERRESET OUTPUT CONTROLTHRESHOLDD 555B8 U10.1uF 0.1uFpwmO.luFC1D13D160.1uFD170.1uFD18D19冷匚0.1uF立D14 亍 D15D20mwp0.1uFHH-