LTspice負(fù)壓電荷泵的振蕩器頻率分析

繼續(xù)深入研究一個可以產(chǎn)生負(fù)電源電壓的簡單SPICE電路，我們將考慮振蕩器頻率對系統(tǒng)性能參數(shù)的影響。

首先，我們來介紹一下圖1所示的原理圖，它向你展示了一個使用兩個電容器、四個開關(guān)和一個方波來實現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)的LTspice版本的電路。這將是貫穿本文的示例原理圖。

圖1. 一個LTspice電路使用兩個電容器、四個開關(guān)和一個方波來實現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)。

接下來，在對這一數(shù)字和我們的整體主題看得太深入之前，讓我們簡單回顧一下以前文章中的一些關(guān)鍵啟示：

倒置的電壓是不調(diào)控的。它可以作為一個電源發(fā)揮作用，但輸出電壓將隨著負(fù)載電流的增加而降低。

如果我們采取措施降低有效輸出電阻，輸出電壓對負(fù)載電流的敏感度會降低。

模擬幫助我們確定在給定的負(fù)載電流下，電路是否能提供足夠的輸出電壓幅度。

電路的充電/放電周期導(dǎo)致了fOSC的輸出紋波--即控制開關(guān)的方波頻率。

我們可以通過選擇一個低ESR的輸出電容，增加輸出電容，或?qū)⑤敵鲭妷和ㄟ^線性穩(wěn)壓器來減少輸出紋波。

到目前為止，我一直在使用500kHz的振蕩器頻率。你可能已經(jīng)想知道我是如何得出這個數(shù)字的。為什么不是50千赫？或5兆赫？在這篇文章中，我們將重點討論振蕩器頻率在系統(tǒng)中的作用，并討論增加或減少fOSC的利弊。

初始振蕩器頻率--使用LTspice .param特性

一個好的起點是在100 kHz和1 MHz之間。我的直覺告訴我，對于這種類型的應(yīng)用來說，這些是合理的頻率，而且，我知道基于電感的切換器經(jīng)常在這個范圍內(nèi)工作。

在任何情況下，當(dāng)你用模擬方法工作時，改變頻率是很容易的，所以沒有必要太擔(dān)心初始頻率的問題。只要你從一個能準(zhǔn)確表示電路基本功能的頻率開始，你就能有效地開始優(yōu)化過程，從而為特定的應(yīng)用找到合適的頻率。

順便說一下，如果你利用LTspice的.param功能，改變頻率就更加容易了（圖2）。

圖2. 圖1中的原理圖部分顯示了LTspice中的.param功能。

在這里我有一個.param語句，我定義了振蕩器的頻率（Fosc）。邏輯高電平持續(xù)時間（Ton）和周期是由Fosc計算出來的，我在PULSE組件的字段中使用Ton和周期參數(shù)（不要忘記大括號！）。這個方便的技巧可以節(jié)省很多時間，而且在原理圖上看到頻率也很有幫助。我通常用頻率而不是周期來思考問題，對我來說，試圖反復(fù)將PULSE(0 5 1u 0 0 0.68u 1.36u)這樣的東西解碼成頻率是有點令人厭煩。

負(fù)電壓電荷泵的頻率和能量

告知頻率優(yōu)化的基本現(xiàn)象是能量。在物理系統(tǒng)中，一般的規(guī)則是，更高的頻率對應(yīng)更高的能量。如果我們記住運動與能量直接相關(guān)--更確切地說，是動能，這在直覺上是有道理的。如果你打開和關(guān)閉一個電燈開關(guān)，你的手指在移動時就會消耗能量。如果你更頻繁地按動開關(guān)--不改變?nèi)魏纹渌麞|西--你必須在相同的時間內(nèi)產(chǎn)生更多的手指運動；因此，你在每單位時間內(nèi)消耗更多的能量，這就是力量的科學(xué)定義。同樣，電壓在5V和地面之間的 "運動 "涉及到能量的使用，如果這種電壓轉(zhuǎn)換發(fā)生得更頻繁，那么每單位時間就需要更多能量。

負(fù)電壓電荷泵中的振蕩器是發(fā)生反轉(zhuǎn)的基本能量來源。實際上，如果你回頭看看我設(shè)計的SPICE原理圖，振蕩器位于其他組件之上，其輸出分布在所有四個開關(guān)上，就好像它是一個電源。這就是我對這樣一個系統(tǒng)中的振蕩器的看法?；旧?，它使用電壓 "運動 "來轉(zhuǎn)移和分配能量，有效地完成了將輸入電壓拉到地線以外并進(jìn)入負(fù)電壓區(qū)域的工作。

開關(guān)電容電路頻率的優(yōu)點和缺點

如果fOSC太低，開關(guān)系統(tǒng)就會缺乏動力，這表現(xiàn)為供應(yīng)負(fù)載電流的能力下降，換句話說，就是輸出電阻增大。事實上，一個理想化的開關(guān)電容電路的輸出電阻與振蕩器頻率（以及C1的值）成反比。在這種情況下，"理想化 "意味著我們忽略了開關(guān)元件的電阻和電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）。

從這里，你可以在圖3中看到fOSC和ROUT之間的關(guān)系。

圖3. 顯示fOSC和ROUT之間關(guān)系的圖。

在低負(fù)載電阻的情況下，隨著振蕩器頻率的降低，穩(wěn)態(tài)輸出電壓的幅度明顯下降。

在圖中，不同的顏色代表：

綠色軌跡 = 100 kHz

米色軌跡=500千赫

紅色軌跡=1MHz

另外，在這個模擬中，C1=1μF，C2=3μF。

如果fOSC太高，開關(guān)系統(tǒng)可以獲得比它需要的更多的能量，整個電路僅僅為了維持運行而耗散更多的功率。更高的頻率也更有可能產(chǎn)生有問題的電磁干擾（EMI）。

你可以通過提高振蕩器的頻率來減少輸出紋波（圖4）。

圖4. 顯示三個不同頻率的紋波幅度的圖。

上面的圖顯示了同一電路在三種不同振蕩器頻率下的紋波幅度。

綠色痕跡 = 100 kHz

米色軌跡 = 500 kHz

紅色痕跡=1兆赫

另外，對于這個模擬，C1=1μF，C2=3μF。

如果你真的需要最小化紋波，這是一個值得的技術(shù)，但在你采取任何行動之前，重要的是真正了解你的系統(tǒng)的電源要求。在放大的范圍顯示上看起來很糟糕的紋波可能對由該紋波電壓供電的組件的性能沒有任何有意義的影響，而且你不希望為了減少實際上沒有損害操作的紋波而降低效率或加劇EMI問題。

綜上所述，為開關(guān)電源選擇一個振蕩器頻率是一個平衡的行為。仿真可以幫助你優(yōu)化你的設(shè)計，你可以考慮用可變頻率的振蕩器建造一個原型。在任何情況下，請記住基本的權(quán)衡：較高的頻率有利于性能，即較低的輸出電阻和較低的紋波，較低的頻率可以延長電池壽命。

本文編譯自：ALLABOUTCIRCUITS

審核編輯：湯梓紅