LTspice中负电压电荷泵的分析——电源和负载电阻

了解如何使用LTspice模拟来提供对开关电容器电压反相电源性能的重要见解。

之前，我写了一篇文章，解释了负电压的基本原理，我在LTspice实验室继续了这一主题，该实验室使用模拟来阐明负电压是电路中产生的。作为LTspice实验室的一部分，我还将介绍一种电路拓扑结构，它可以产生稳定的负电压，并能够为其他组件提供电流。

在这一系列新文章中，我想更详细地了解一下这种负电压电路的功能，目的是增强我们对如何优化现实生活中的开关电容器电源和电源的理解。

综述：电容器和开关的负电压

在深入研究之前，让我们看看图1，它显示了我之前在上一篇负电压文章中介绍的电荷泵电路。

电荷泵电路示例。

图1。电荷泵电路示例。

在电路示意图中，V1产生输入电压，V2产生控制所有四个开关的500kHz方波。由于SW1和SW2模型中分配给导通和截止状态的电阻值不同，当S2和S3截止时，S1和S3导通，反之亦然。当S1和S3允许电流流动时，源极电压对电容器C1充电，然后所有四个开关都改变状态，使得C1放电到电路的右侧。

接下来，C2获得等于V1源电压的电势差，但是由于C2的较高电压端子接地，因此较低电压端子必须转移到负电压区域中。因此，INVERTED节点处的电压等于负V（SOURCE）。换句话说，VOUT=–VIN。

下面的曲线图（图2）显示了输出电压下降到VIN，然后保持在VIN。

图2:示例图显示输出电压下降至并保持在–VIN。

了解负载电阻的影响

也许你想知道开关电容器电路是否太好了，不可能是真的。只有两个电容器，四个开关和一个方波？这就是我们产生一个良好调节的负电压供电轨所需要的全部？嗯，不完全；这个电路实际上并不是一个电压调节器。

它不是电压调节器，因为它缺乏线性调节器和开关模式调节器操作的核心：反馈子系统。调节器通过监测输出并通过负反馈补偿负载变化来保持稳定、可预测的电源电压。

我们的开关电容电荷泵没有任何负反馈控制系统，因此，负载电阻的降低将导致输出电压的相应降低。这是因为输出网络本质上是一个分压器。考虑到这一点，当RLOAD=100 kΩ时，我们在输出端有完整的-VIN，这只是因为100 kΩ远高于电荷泵的源极电阻（ROUT）。随着RLOAD朝向ROUT减小，电压在这两个电阻之间被更均匀地分压，因此输出电压（即，RLOAD两端的电压）减小。

你也可以从负载电流的角度来考虑这个问题。假设负载电路的操作发生变化，使得电源必须输送更多的电流（这在电气上相当于RLOAD的减少）。当这种情况发生时，更多的电流流过ROUT，更多的电压在ROUT上下降，并且在输出节点处可获得较小比例的输入电势差。

LTspice中可变负载电阻的仿真

我们可以使用一个.step文本命令，直接放在LTspice示意图上，以直观地评估不同RLOAD的效果：

.step PARAM LOAD list 100k 10k 1k 100 10

此语句将导致对变量LOAD所附列表中的每个值运行一次模拟。我们想将这些值分配给RLOAD组件，并通过在组件值字段中使用{LOAD}（不要忘记花括号）来实现这一点（如图3所示）：

电荷泵电路的一部分，显示Rload｛LOAD｝。

图3。电荷泵电路的一部分，显示Rload｛LOAD｝。

结果如下图4所示。

所得到的示例电荷泵电路的仿真结果。

图4。所得到的示例电荷泵电路的仿真结果。

三个最高电阻值（100 kΩ、10 kΩ、1 kΩ）都具有相似的性能，并且与这三个值对应的迹线几乎无法区分。然而，在100Ω（米色迹线）时，我们开始注意到输出电压的下降，而在10Ω（绿色迹线）处，下降相当严重。

（我相信你也注意到，随着负载电阻的降低，电压纹波会显著增加。我们将在第2部分中讨论这一点。）

评估应用可行性的输出电压

像这样的模拟有助于我们确定电路是否会为给定的应用保持足够的输出电压。假设我们需要一个负电压来为组件供电，其供电要求为-5 V±0.3 V；在这种情况下，最小可接受电压幅度为4.7V。使用我们之前的结果作为起点，我们创建了另一个具有RLOAD值的模拟（图5），该值将使我们接近相关电压阈值。  

.step PARAM LOAD list 300 100 70 40

RLOAD使我们接近相关电压阈值的仿真结果。

图5。RLOAD使我们接近相关电压阈值的仿真结果。

我们的结果表明，最小安全RLOAD略低于70Ω。我们称之为65Ω。RLOAD=65Ω的单次运行模拟证实了我们（理论上）在可接受的范围内，如下图6所示。

RLOAD=65Ω的单个模拟结果。

图6。RLOAD=65Ω的单个模拟结果。

欧姆定律告诉我们，RLOAD=65Ω的负载电流约为74mA-如果你愿意，你可以通过模拟来确认这一点。因此，我们得出结论，如果总负载电流小于74mA，则电荷泵将能够为所讨论的部件保持足够的负电源电压。

总之，我们研究了LTspice开关电容器电荷泵的一些有趣的细节，注意到该电路不是电压调节器，并使用.step模拟来确定负载电流能力。在下一篇文章中，我们将更深入地了解输出纹波。