开关电容（电荷泵）

cheeeeeater

在学习电荷泵的过程中遇到了这样一个问题
对于一个电压转换比固定的电荷泵，如2:1，即Vin=2Vo
如果我的输入电压是一个比较大的范围比如（3-5V），但是仍然想要得到一个稳定的直流输出（如1.5V）应该怎么做？
查找了一些文献基本上的调制方法就是PFM（频率调制）（图1）
基本原理就是说电荷泵的等效电阻是一个开关频率相关的量，其本质上是由于开关管的等效电阻会开关随频率变化（图2）（图3）
但是在我的仿真过程中，我发现随着频率变化，输出电压并未发生本质上的改变，改变的只有纹波大小。图4和图5分别是原理图与仿真结果，输入电压为5V，开关频率分别为160KHz和80KHz。
可以看到输出电压的纹波增大了两倍，而输出电压的平均值并未明显改变。求助各位前辈指教。

图1

图2

图3

图4

图5

子车天纵

cheeeeeater 发表于 2024-8-28 15:22
我理解您的意思，您说的和文献里所表述的也基本一致，我认为您说的也是很正确的。

但是现在的问题是我无 ...

你的输出平均电压掉了啊，你把输出电压加到1nf就可以明显看出来了，你现在的纹波太大导致不直观

子车天纵

你搭的只是一个开环两倍压啊，哪有反馈环路

cheeeeeater

子车天纵 发表于 2024-8-28 09:58
你搭的只是一个开环两倍压啊，哪有反馈环路

我知道 但是我就是想知道调整频率能否改变电荷泵的输出

既然如此，那我在开环上直接调整开关管频率和做一个闭环系统通过反馈调整开关管频率有区别吗
现在的问题是我直接在开环上该频率都没有看出来这种输出调整，所以就感觉搭成闭环也没用把

子车天纵

cheeeeeater 发表于 2024-8-28 10:04
我知道 但是我就是想知道调整频率能否改变电荷泵的输出

既然如此，那我在开环上直接调整开关管频率和做 ...

频率调整是靠环路调啊，电荷泵输出阻抗要和负载相关才能稳压，你开环调怎么稳

cheeeeeater

子车天纵 发表于 2024-8-28 10:14
频率调整是靠环路调啊，电荷泵输出阻抗要和负载相关才能稳压，你开环调怎么稳 ...

我还是不太理解您的意思

就从图2-9和式（2-13）来看 一个电荷泵是可以等效成一个电压源与一个电阻串联的。
那就从开环仿真来说，我直接固定负载电阻，那输出电压就是电荷泵的等效电阻和负载电阻的分压。
那电荷泵的等效电阻既然和开关管的频率相关，那我直接给开关管栅端外接频率可变的方波不就好了嘛。为什么要接成闭环呢
本质上不是应该先有电荷泵的等效电阻与频率相关的性质，再有频率调制这样一个方法嘛。

cheeeeeater

子车天纵 发表于 2024-8-28 10:14
频率调整是靠环路调啊，电荷泵输出阻抗要和负载相关才能稳压，你开环调怎么稳 ...

而且我也不用稳压，我只是想验证改变开关管频率能否改变他的输出电压
因为根据文献上说输出电压是负载电阻和电荷泵等效电阻的分压，既然如此，我就直接改变频率应该能看到输出电压的变化，
但是为什么我在仿真中得不到这样的现象

子车天纵

cheeeeeater 发表于 2024-8-28 11:08
而且我也不用稳压，我只是想验证改变开关管频率能否改变他的输出电压
因为根据文献上说输出电压是负载电 ...

怎么得不到？你没看到你的输出电压平均值已经掉了吗。

cheeeeeater

子车天纵 发表于 2024-8-28 11:16
怎么得不到？你没看到你的输出电压平均值已经掉了吗。

是的，但是我对他的理解是由于周期增加两倍，即充放电时间的增加导致纹波增大，从而使得输出电压的平均值有所降低


假如频率调制的本质确实是通过增大纹波来调整输出电压平均值。
那我还有一些问题想请教一下
首先纹波的这种增大肯定是不可取的，他会导致效率和损耗的急剧降低
其次，他这种调制的范围也太小了 可以从仿真图看到，频率从160Khz到80Khz，输出电压的平均值大概是从1.8降到了1.6，纹波增大了两倍
如果我想做一个输入电压范围比较大的比如3-5V的输入电压 想要他稳定在1.5V的输出，那这种频率调制是不是就没有办法实现
最后感谢您的指教

WESHUO

开关电容DC-DC的公式是正确的，按照你的输入电压5V，输出电压1.8V，负载RL=100K，可以计算你的等效输出电阻是177K。按照电路的公式，将C=100pF，fs=80KHz待入可以得到31.25K电阻。说明电路没有工作在慢开关极限状态，也就是你的nmos开关管的导通电阻过大，或许是你的nmos的Vsb过大造成阈值电压过高，可以进行调整Vsb=0等方法将导通电阻降下来试试看。