一种用于驱动高边功率开关的电荷泵电路

任立 张国俊

摘要：提出了一种新型的电荷泵电路设计，该设计利用电容电压不能突变的原理，设计了一种可以用来驱动高边功率开关管栅极电压的电荷泵结构。采用该结构后的高边功率管的栅极电压，可以在控制信号开启后很短的时间内，将栅极电压迅速抬升至电源电压以上，确保功率开关管可以正常导通。通过调整输入方波的频率，该结构的电压抬升时间可以根据不同的工艺水平和工作环境进行调整，本文也整理了不同的输入频率和抬升时间之间的关系。

关键词：电荷泵;功率开关;功率集成电路;高边驱动;

0引言

高边功率开关是功率集成电路的典型电路之一。它是将驱动电路、控制电路与保护电路能够集成于一个芯片中，在一定程度上实现智能化的控制功能，将会大大降低芯片的设计难度并且提高其性能。而电荷泵电路则是其中必不可少的重要驱动电路。随着人们对便携式电子设备的消费需求越来越高，电子产品的高性能、低功耗、轻型化等需要使得电源开关相关的芯片性能要求愈加提升，而对电荷泵电路的性能要求也随之越来越高。

智能功率开关将控制电路，保护电路，驱动电路以及一些外围接口与功率开关做成一体化的集成芯片。其中驱动电路就是本文所提及的电荷泵电路。智能功率开关分为高边功率开关和低边功率开关，高边与低边的区别在用作开关作用的MOS管接在电源端还是地端。根据不同的應用环境会选择不同的功率开关。

高边功率开关如图1所示，高压功率管NMOS起主要的开关作用，通过电荷泵驱动电路对功率MOS管的栅极进行充放电来控制其开启与关断。

电荷泵是一种电荷转移的方式进行工作的电路，在本文所研究的这款芯片中，电荷通过对功率管的栅电容进行周期性的充电，将栅电压逐渐提高到功率管的开启电压以上，从而保证芯片能够开启。由于电荷泵会对栅极进行持续的充电，因此栅极电压会充到电源电压以上，需要一个钳位电路来限制栅极的最高电压，即电荷泵电路的输出电压。

1电荷泵电路的设计背景和基本原理

1.1电荷泵电路的设计背景

本文设计的电荷泵电路是应用于一款电源电压工作范围为4.7-52V的高边功率开关电源芯片。本文中取40V为例进行设计，为了使得功率开关管在供电电源为40V时依旧可以正常工作，则电荷泵电路需要将驱动电压抬升至40V以上。

1.2电荷泵电路基本原理

电荷泵是一种DC/DC的电压转换电路，在实际应用中电荷泵可以将输入电压的相位反转即正电压输出为负电压，或者将输入电压的大小增大甚至翻倍。电荷泵的原理是通过对内部电容的周期性的充放电，利用电容电压不能突变的原理实现对输入电压大小和相位的控制，因此将这种电路称为电荷泵变换器。

电荷泵的基本原理电路如图2所示，该电路的核心是两个电容、一个反相器和四个开关组成。开关的关断与开启由电荷泵前级电路输入的周期变化的方波信号与反相器控制，且开关状态总是成对出现。控制信号在第一个高电平时，s1开关和s2开关闭合、s3开关和s4开关则会因为反相器而断开，此时，图2中左边的回路就会导通，输入电压U1开始对电容c1进行充电，靠近s1端为正电压;在控制信号为低电平时，开关状态相反，即s1开关和s2开关断开、s3开关和s4开关闭合，此时图2中的左俱0回路关闭而右侧回路开启，电容c1向C2放电，电荷就会存储在电容C2的内部，其两端的电压差值将会达到U1，且靠近开关s3端是正电位，而由于电容C2上极板接地，则输出电压U0的电压为-U1。由此可以得到与输入电压极性相反的输出电压。之后下一个周期的方波信号来临，高电平时，s1开关和s2开关再次闭合、s3开关和s4开关再次断开，输入电压U1又一次向电容c1进行充电，之后方波低电平，和之前一样，s1开关和s2开关断开、s3开关和s4开关闭合，在原本C2中就存储电荷的情况下，c1继续向C2放电，C2极板的电压就会升高。以此类推，如果控制信号以高频率方波输入，则通过c1和C2的电压转换可以在输出端得到持续输出的负电压。

虽然电荷泵能够实现电压变换，但从原理上可以理解其输出电压始终处于动态的变化之中，且电容的充放电过程中会有输出电流，电压转换过程中会出现能量损耗。因此设计一个所需的电荷泵电路的终点就在于克服这些因素。

2电荷泵电路的设计

经过对原理的分析以及相关知识的理解，经过多次尝试后，最终得到的图3即为所设计的电荷泵实际电路图。

在图3所示的电路中，VDD为输入电源电压，vn和vp是由电荷泵前级振荡器电路产生的固定频率方波电压，二者频率相同但相位相差180°，vlogic为控制电压，该电压为高时电荷泵工作，为低时电荷泵关断，GND为地电位;图中右俱0输出一侧中，Q9即为电荷泵电路驱动的功率MOS开关管，vgate为电荷泵输出电压，负责连接被驱动功率管的栅极，OUT端为功率管的源极输出电位。

同时在调试仿真的过程中观察到，电荷泵抬升所需要的时间和输入方波的频率具有一定相关性，经过多次仿真测试，在电路其他参数保持不变的情况下，得到前级输入的方波频率和输出电压抬升时间之间的关系如表1所示。可以根据实际工艺水平、工作环境等需求，计算出前级震荡器所能输出的最终频率，根据此表可以得出对应的输出电压抬升时间。

4结论

本文讨论了电荷泵技术的原理，并根据该原理设计出了一种能够快速抬升输出电压至电源电压以上一定值的电荷泵电路结构。该电路可以很好得工作于一款基于0.35pm、BCD工艺的电源电压工作范围为4.7V-52V的高边功率开关电源芯片。本文设计完成后，经过Hspice软件进行了相关仿真，印证了该电路设计的正确性。同时由于工艺温度等条件的不同，实际输入方波能达到的稳定频率并不一定，因此本文还总结了不同输入方波频率与输出电压抬升时间之间的关系。该电路同样可以适用于其他功率开关驱动电路。