技术领域

本技术属于电荷泵技术领域。

背景技术

在电容源的电容矩阵中，用MOSFET实现电容的串并联转换，使用有源的MOSFET驱动芯片就需要给每 个驱动芯片加上电源，这使得MOSFET的应用很不方便。功率型MOSFET驱动的最小电压不低于10V，因为 负载电流不确定性使MOSFET工作时的漏极-源极电压降不一致，从零点几伏到两三伏的都有，不同的漏极 -源极工作电流其压降也不同。要实现无源的MOSFET驱动，驱动电路的电压就必须使用升压电路，将MOSFET 的漏极-源极电压升压到10V以上，以供驱动电路工作使用。由于输入电压的可变性，使用现有的电荷泵 模式输出无法达到要求。累加电荷泵能适应不同的输入电压：输出电压与输入电压的高低无关，只与稳压 电路设定的输出电压值相关。

发明内容

累加电荷泵工作原理图，如图1。S1、S2、S3是累加工作时的开关管，S4、D1是电荷泵初始化时Ui 给C3充电的电流通路，D1是防止反压二极管，C1是输入电容，C2是反馈电容，C3是累加电容。

初始化时，S4先闭合，给电容C3充电，充电值为输入电压减去二极管D1的压降。累加电荷泵的一个 周期分为两个过程：第一个过程为S1、S3同时闭合且S2断开，S1闭合使C1充电到Ui的值，S3闭合使 C2充电到C3的电压值；第二个过程为S1、S3同时断开且S2闭合，S1断开使C1与Ui隔离，S3断开使 C2与C3隔离，S2闭合使C1与C2形成正向串联给C3充电，充电电压为C1与C2电压值的和。

设C1、C2、C3的初始化电压分别为U1、U2、U3i，二极管压降为UD，累加过程中C3的电压为U3。则 第一个周期的第一个过程结束时，U1=Ui，U2=U3i，U3i=Ui-UD；第一个周期的第二个过程结束时，C3的电 压值为U3=Ui+U3i。此时，二极管D1由于C3的电压值高于Ui而反偏截止，防止S4中有反向电流通过，S4 开或关对电荷泵工作已经没有影响。第二个周期时，重复第一过程为S1、S3同时闭合且S2断开，S1闭合 使C1充电到Ui，即U1=Ui，S3闭合使C3的电压值反馈到C2，则U2=U3=Ui+U3i；重复第二个过程为S1、 S3同时断开且S2闭合，S1断开使C1与Ui隔离，S3断开使C2与C3隔离，S2闭合使C1与C2形成正向 串联给C3充电，则U3=Ui+Ui+U3i=2Ui+U3i。……第N个周期结束时，C1的电压为U1=Ui，C2的电压为 U2=(N-1)Ui+U3i，C3的电压值为U3=N×Ui+U3i。即工作过程中，C1的电压值始终都是输入电压Ui，C2的 电压值在(N-1)Ui+U3i至N×Ui+U3i之间变化，C3的电压值U3=N×Ui+U3i。如果没有稳压控制，这个过程 将会一直持续下去，直到电路的漏电流与输入电流达到平衡，C3的电压U3将不会再上升。

如果没有S4、D1给C3的初始化充电电压U3，累加电荷泵将不能完成累加工作。如图1，由于S1、S3 断开S2闭合时，C1、C2、C3所组成的回路为串联回路，这个回路只有C1有电荷提供充电电流，C2充得 下正上负的电压，C3充得上正下负的电压，当要进行反馈将C3的电压U3反馈到C2时，由于U2与U3的 电压极性相反，C2与C3的电荷将会被中和，无法完成反馈，也就不会进行累加。

从以上分析可知，输出有调整电路控制C1的充电电压时，整个累加过程是可控的。当输出电压达到调 整电路所预设的电压值时，调整电路开始控制开关S1的工作状态：改变S1的内阻或改变S1的工作频率， 以达到输出电压不再累加Ui的满额值，或在一定工作周期数内累加Ui的个数减少，都能使输出电压不再 上升，达到调整电路所预设的电压值。

附图说明

图1：累加电荷泵的原理图

图2：MOSFET无源驱动电路

图3：累加电荷泵的调频升压电路

具体实施方式

应用一、用累加电荷泵构成MOSFET的无源驱动电路。

MOSFET关闭时，为了尽量减小漏电流，要求无源驱动电路在MOSFET关闭期间，应该停止工作，只由 电容存储的电荷维持被驱动MOSFET的关闭；而开通时，要迅速建立驱动电压电流，并且要提供持续的驱 动电流维持MOSFET的可靠开通。

如图2是一个N_MOSFET的驱动电路。Vi是控制信号输入端，Vd、Vs、Vg分别接MOSFET的漏极D、源 极S、栅极G。图2中用虚线分出了三部分：带稳压的累加电荷泵、方波振荡器、驱动输出级。其中，方 波振荡器和驱动输出级的主体均由晶体管电桥构成。例如

驱动输出级的晶体管电桥由晶体三极管Q14、Q15、Q16、Q17和触发电流电阻R15、R16以及输入电 阻R14组成，R15、R16为等值电阻。Q14、Q15的基极-射极是逆着电流方向并联的，任意时刻其中一只导 通时，另一只将得到基极-射极的负压。比如Vi接Vs时，G点通过D4被接在Vs上，因Vg为Ui的中点电 压，则E点电压低于Vg，形成触发电流路径：Ui、R15、Vg点、Q15基极-射极、E点、R14、G点，Q15因 正向基极电流导通，Q14得到负向的基极-射极电压截止。Q15导通使Q17导通，Q17的集电极电流在Q15 的基极形成基极电流的叠加，由此形成了Q15、Q17的正反馈过程，直到Q15、Q17均饱和，R15被Q17短 路，Vg点直接由Q17驱动输出，Vd对Vs为N_MOSFET的导通压降；同时Q14的基极-射极负压使Q14、Q16 所组成的正反馈可靠截止。当Vi对Vs开路时，D4失去正向电流截止，Q15、Q17因Q15基极-射极电流减 小正反馈截止，Q16、Q17均不导通，Vg点电压重新回到以R15、R16分压的中点电压Ui／2，由于G点通过 R13接在Ui上，则E点电压高于Vg点电压，形成触发电流路径：G点、R14、E点、Q14射极-基极、Vg点、 R16、Vs，Q14因正向基极电流导通，Q15得到负向的基极-射极电压截止。Q14、Q16正反馈饱和，R16被 Q16短路，Vg点直接由Q16驱动，Vd对Vs为N_MOSFET的开路压降；同时Q15的基极-射极负压使Q15、 Q17所组成的正反馈可靠截止。由前分析知道这个晶体管电桥的特点：触发电流电阻R15、R16只需提供 Q15、Q16的基极触发电流，输入电阻R14只需提供输出管Q16、Q17维持饱和的最小基极电流，在输出点 Vg以正反馈形式翻转到Ui或Vs的过程中，不会有Ui对Vs短路的情况。

方波振荡器。

Vi接Vs且电容C没有电压时：由Q13、Q12、Q11、Q10以及电阻R11、R12、R组成的晶体管电桥的B 点高于A点，该电桥翻转为Q13、Q11饱和Q12、Q10截止，B点电压等于Ui，A点电压低于B点一个PN结 电压，A点通过R给C充电形成Q11的射极电流，维持B点电压等于Ui；当C的充电电流不能维持Q13的 最小基极饱和电流时，Q13、Q11截止，由于C被充电到接近于Vg，A点高于B点，Q12、Q10饱和，B点电 压等于Vs电压，C通过R放电形成Q10的射极电流，维持B点等于Vg。当放电电流不能维持Q12的最小 基极饱和电流时，Q12、Q10截止，然后重复由于A点电压低于B点电压的过程，完成持续振荡过程。Q7、 Q6、Q9、Q8以及电阻R9、R8、R10构成了一个反相器，由于C点受B点控制，使D点的电压输出相位与B 点反相180度：B点为Ui电压时，C点高于D点使Q8、Q6饱和，D点由Q6驱动输出Vs电压；B点为Vs 电压时，C点低于D点使Q7、Q9饱和，D点由Q7驱动输出Ui电压。

带稳压的累加电荷泵。

累加电荷泵。当B点接Ui、D点接Vs时：B点通过R5-R3和R6分别使Q2、Q5导通；D点通过R7使 Q3截止。电容C1通过Q2的射极电流充电(D1是防止初始化时C1的过充)，C3通过Q5将其电压反馈到C2 形成对C2的充电电流。当B点接Vs、D点接Ui时：B点的Vs电压使Q2、Q5截止；D点通过电阻R7使Q3 导通。C1、C2通过Q3形成串联向C3充电完成累加。此后重复这个过程。

稳压控制。当Vi接Vs时：由于Vg接在Ui上，当Vg使R1、R2的分压值让Q1导通时，F点的电压开 始下降，Q2的基极电压被迫下降，由于C1的正极接在了Q2的射极，当C1要继续充高电压时Q2的射极电 流就会减小，甚至处于微导通状态，从而限制C1的充电电压不是满额的Vd-Vs电压，使C1、C2串联向C3 充电时，累加到电容C3上的电压被减小，限制C3上的电压进一步上升，起到稳压的作用。

当Vg为Vs电压时，R11和R9均没有触发电流，振荡器和反相器同时停止工作，累加电荷泵因没有开 关脉冲也停止工作。

D4是防止Vi对Vs开路时，Q4的射极-基极通过R4、R14、Q14、Q16形成导通电流，造成非正常的 MOSFET截止时的漏电流。振荡电路的振荡频率直接由RC决定。D3是防止Q4在MOSFET导通时有反向的集 电极电流通过。Q1的集电极接在F点而不直接接在Q2的基极，因为R5、R3分压后的F点可以将Q2的基 极电压调节到更细，使输出电压Ui有更小的纹波电压。采用调节C1充电电压幅度而不采用频率调节也是 为了降低Ui的纹波电压。

Vd-Vs为MOSFET的导通电压且Q2导通时：由于B点电压高于Vd电压，C1的正极由于接在了Q2的射 极，C1的电压是可以充电到比Vd电压高的，这会造成Q2有基极-集电极的反向电流。这可以通过设置工 作频率解决：因为晶体管的基极-射极内阻总会比集电极-射极内阻大，并且由于电阻R5、R3的存在进一 步加大了Q2的基极-射极电阻。Vd、Ui均是对电容C1充电，集电极-射极充电回路的时间常数要远小于基 极-射极充电回路的时间常数，所以，只要控制适当的工作频率，反向的基极-集电极电流是可以控制的。 由于MOSFET轻载时Vd-Vs压降很低，甚至会低于PN接的导通电压，所以采用射极充电的方式。可以有两 个作用，一是初始化完成后，只要MOSFET开通有Vd-Vs压降，驱动电路就能正常工作，二是没有Q2射极 -基极的反向高压造成Q2的发射结击穿。

当电荷泵的初始化完成后，MOSFET的关闭到开通的时间应小于电容C3放电到最低驱动电压的时间， 以避免频繁的初始化造成输出Vg与输入Vi的不同步。

应用二：由累加电荷泵的调频方式构成的升压电路如图3。

这个电路将振荡器和反相器接在了输入端，它是在输入电压Ui相对稳定的条件下应用的，比如用一 节1.5V的电池供电，它的输出可以设置到任意值，只要电池的电压高于一个PN结的导通电压，累加电荷 泵就能完成升压工作。由晶体管电桥的结构看出只要Ui与GND之间的电压够一个PN结的饱和电压，振荡 器就能正常振荡，反相器也能正常工作。

上电时，D1给电容C3完成初始化充电，Ui通过R7、Q11的基极-射极、电容C、电阻R给电容C充电， 使Q9、Q11饱和同时使Q8、Q10截止，C的充电维持B点为Ui的电压，B点通过R8、Q6的射极-基极、R4 使反相器形成Q6的基极触发电流，Q6、Q4饱和使C点维持低电压，同时Q5、Q7截止，反相器输出D点为 GND的电压。B点的Ui电压使Q2导通，D点的GND电压使Q1导通Q3截止，电容C3的电压反馈到C2，电 容C1充得Ui的电压。电容C的充电电流不能维持Q9、Q11饱和时，Q9、Q11翻转为截止，同时由于电容 C已被充电到Ui，B点的电压比A点低，使Q8、Q10翻转为饱和，C的放电电流使Q8、Q10的饱和状态维 持，B点输出GND的电压，C点通过R8被B点接在了GND上，反相器的D点输出Ui的电压；B点的GND电 压通过R2使Q2截止，D点的Ui电压通过R1使Q1截止同时通过R3使Q3导通，电容C1、C2形成串联给 电容C3充电。当振荡电容C的放电电流不能维持Q8、Q10饱和时，由于C放电使A点电压低于B点电压， 输入Ui又通过电阻R7、Q11的基极-射极、电容C、电阻R给电容C充电，又形成对Q11基极的触发电流， 此后重复振荡过程，使Uo的电压不断的累加输入Ui的值。

当R9、R10的分压点E点电压使Q12导通时，Q8的基极电流被Q12分流，Q8的集电极电流减小，Q10 的基极电流减小，Q8、Q10的导通内阻增加，从而使整个放电路径：振荡电容C从A点、Q10、Q8、振荡电 阻R、到电容C的负极的放电电阻增加，放电时间变长，B点维持GND电压的时间变长，D点维持Ui电压 的时间变长，C1、C2串联向C3的放电时间变长，从而使放电电压更低，而充电时间常数没有变，这就间 接的控制了充电最终电压的降低，从而达到使输出电压Uo恒定的效果。当输出电压Uo没有达到预设值时， 控制电路的Q12是没有分流作用的。

输入采用PNP管没有反向基极-集电极电流的情况。由于输入没有高于输出的情况，所以这里没有使 用图2中的Q4，图3中的D1只需要完成初始化后将输入输出隔离就可以了。C4是为了维持输出在一定的 稳定范围内的，因为调频工作方式会使输出在Ui电压较高时输出有较大的纹波，采用C4使Q12的基极电 压稳定，从而避免振荡器有频繁的共振现象，使输出不稳定。