一種用于驅動高邊功率開關的電荷泵電路

任立 張國俊

摘要：提出了一種新型的電荷泵電路設計，該設計利用電容電壓不能突變的原理，設計了一種可以用來驅動高邊功率開關管柵極電壓的電荷泵結構。采用該結構后的高邊功率管的柵極電壓，可以在控制信號開啟后很短的時間內，將柵極電壓迅速抬升至電源電壓以上，確保功率開關管可以正常導通。通過調整輸入方波的頻率，該結構的電壓抬升時間可以根據不同的工藝水平和工作環境進行調整，本文也整理了不同的輸入頻率和抬升時間之間的關系。

關鍵詞：電荷泵;功率開關;功率集成電路;高邊驅動;

0引言

高邊功率開關是功率集成電路的典型電路之一。它是將驅動電路、控制電路與保護電路能夠集成于一個芯片中，在一定程度上實現智能化的控制功能，將會大大降低芯片的設計難度并且提高其性能。而電荷泵電路則是其中必不可少的重要驅動電路。隨著人們對便攜式電子設備的消費需求越來越高，電子產品的高性能、低功耗、輕型化等需要使得電源開關相關的芯片性能要求愈加提升，而對電荷泵電路的性能要求也隨之越來越高。

智能功率開關將控制電路，保護電路，驅動電路以及一些外圍接口與功率開關做成一體化的集成芯片。其中驅動電路就是本文所提及的電荷泵電路。智能功率開關分為高邊功率開關和低邊功率開關，高邊與低邊的區別在用作開關作用的MOS管接在電源端還是地端。根據不同的應用環境會選擇不同的功率開關。

高邊功率開關如圖1所示，高壓功率管NMOS起主要的開關作用，通過電荷泵驅動電路對功率MOS管的柵極進行充放電來控制其開啟與關斷。

電荷泵是一種電荷轉移的方式進行工作的電路，在本文所研究的這款芯片中，電荷通過對功率管的柵電容進行周期性的充電，將柵電壓逐漸提高到功率管的開啟電壓以上，從而保證芯片能夠開啟。由于電荷泵會對柵極進行持續的充電，因此柵極電壓會充到電源電壓以上，需要一個鉗位電路來限制柵極的最高電壓，即電荷泵電路的輸出電壓。

1電荷泵電路的設計背景和基本原理

1.1電荷泵電路的設計背景

本文設計的電荷泵電路是應用于一款電源電壓工作范圍為4.7-52V的高邊功率開關電源芯片。本文中取40V為例進行設計，為了使得功率開關管在供電電源為40V時依舊可以正常工作，則電荷泵電路需要將驅動電壓抬升至40V以上。

1.2電荷泵電路基本原理

電荷泵是一種DC/DC的電壓轉換電路，在實際應用中電荷泵可以將輸入電壓的相位反轉即正電壓輸出為負電壓，或者將輸入電壓的大小增大甚至翻倍。電荷泵的原理是通過對內部電容的周期性的充放電，利用電容電壓不能突變的原理實現對輸入電壓大小和相位的控制，因此將這種電路稱為電荷泵變換器。

電荷泵的基本原理電路如圖2所示，該電路的核心是兩個電容、一個反相器和四個開關組成。開關的關斷與開啟由電荷泵前級電路輸入的周期變化的方波信號與反相器控制，且開關狀態總是成對出現。控制信號在第一個高電平時，s1開關和s2開關閉合、s3開關和s4開關則會因為反相器而斷開，此時，圖2中左邊的回路就會導通，輸入電壓U1開始對電容c1進行充電，靠近s1端為正電壓;在控制信號為低電平時，開關狀態相反，即s1開關和s2開關斷開、s3開關和s4開關閉合，此時圖2中的左俱0回路關閉而右側回路開啟，電容c1向C2放電，電荷就會存儲在電容C2的內部，其兩端的電壓差值將會達到U1，且靠近開關s3端是正電位，而由于電容C2上極板接地，則輸出電壓U0的電壓為-U1。由此可以得到與輸入電壓極性相反的輸出電壓。之后下一個周期的方波信號來臨，高電平時，s1開關和s2開關再次閉合、s3開關和s4開關再次斷開，輸入電壓U1又一次向電容c1進行充電，之后方波低電平，和之前一樣，s1開關和s2開關斷開、s3開關和s4開關閉合，在原本C2中就存儲電荷的情況下，c1繼續向C2放電，C2極板的電壓就會升高。以此類推，如果控制信號以高頻率方波輸入，則通過c1和C2的電壓轉換可以在輸出端得到持續輸出的負電壓。

雖然電荷泵能夠實現電壓變換，但從原理上可以理解其輸出電壓始終處于動態的變化之中，且電容的充放電過程中會有輸出電流，電壓轉換過程中會出現能量損耗。因此設計一個所需的電荷泵電路的終點就在于克服這些因素。

2電荷泵電路的設計

經過對原理的分析以及相關知識的理解，經過多次嘗試后，最終得到的圖3即為所設計的電荷泵實際電路圖。

在圖3所示的電路中，VDD為輸入電源電壓，vn和vp是由電荷泵前級振蕩器電路產生的固定頻率方波電壓，二者頻率相同但相位相差180°，vlogic為控制電壓，該電壓為高時電荷泵工作，為低時電荷泵關斷，GND為地電位;圖中右俱0輸出一側中，Q9即為電荷泵電路驅動的功率MOS開關管，vgate為電荷泵輸出電壓，負責連接被驅動功率管的柵極，OUT端為功率管的源極輸出電位。

同時在調試仿真的過程中觀察到，電荷泵抬升所需要的時間和輸入方波的頻率具有一定相關性，經過多次仿真測試，在電路其他參數保持不變的情況下，得到前級輸入的方波頻率和輸出電壓抬升時間之間的關系如表1所示。可以根據實際工藝水平、工作環境等需求，計算出前級震蕩器所能輸出的最終頻率，根據此表可以得出對應的輸出電壓抬升時間。

4結論

本文討論了電荷泵技術的原理，并根據該原理設計出了一種能夠快速抬升輸出電壓至電源電壓以上一定值的電荷泵電路結構。該電路可以很好得工作于一款基于0.35pm、BCD工藝的電源電壓工作范圍為4.7V-52V的高邊功率開關電源芯片。本文設計完成后，經過Hspice軟件進行了相關仿真，印證了該電路設計的正確性。同時由于工藝溫度等條件的不同，實際輸入方波能達到的穩定頻率并不一定，因此本文還總結了不同輸入方波頻率與輸出電壓抬升時間之間的關系。該電路同樣可以適用于其他功率開關驅動電路。