LTspice负压电荷泵的振荡器频率分析-电子发烧友网

继续深入研究一个可以产生负电源电压的简单SPICE电路，我们将考虑振荡器频率对系统性能参数的影响。

首先，我们来介绍一下图1所示的原理图，它向你展示了一个使用两个电容器、四个开关和一个方波来实现电压反转的LTspice版本的电路。这将是贯穿本文的示例原理图。

图1. 一个LTspice电路使用两个电容器、四个开关和一个方波来实现电压反转。

接下来，在对这一数字和我们的整体主题看得太深入之前，让我们简单回顾一下以前文章中的一些关键启示：

倒置的电压是不调控的。它可以作为一个电源发挥作用，但输出电压将随着负载电流的增加而降低。

如果我们采取措施降低有效输出电阻，输出电压对负载电流的敏感度会降低。

模拟帮助我们确定在给定的负载电流下，电路是否能提供足够的输出电压幅度。

电路的充电/放电周期导致了fOSC的输出纹波--即控制开关的方波频率。

我们可以通过选择一个低ESR的输出电容，增加输出电容，或将输出电压通过线性稳压器来减少输出纹波。

到目前为止，我一直在使用500kHz的振荡器频率。你可能已经想知道我是如何得出这个数字的。为什么不是50千赫？或5兆赫？在这篇文章中，我们将重点讨论振荡器频率在系统中的作用，并讨论增加或减少fOSC的利弊。

初始振荡器频率--使用LTspice .param特性

一个好的起点是在100 kHz和1 MHz之间。我的直觉告诉我，对于这种类型的应用来说，这些是合理的频率，而且，我知道基于电感的切换器经常在这个范围内工作。

在任何情况下，当你用模拟方法工作时，改变频率是很容易的，所以没有必要太担心初始频率的问题。只要你从一个能准确表示电路基本功能的频率开始，你就能有效地开始优化过程，从而为特定的应用找到合适的频率。

顺便说一下，如果你利用LTspice的.param功能，改变频率就更加容易了（图2）。

图2. 图1中的原理图部分显示了LTspice中的.param功能。

在这里我有一个.param语句，我定义了振荡器的频率（Fosc）。逻辑高电平持续时间（Ton）和周期是由Fosc计算出来的，我在PULSE组件的字段中使用Ton和周期参数（不要忘记大括号！）。这个方便的技巧可以节省很多时间，而且在原理图上看到频率也很有帮助。我通常用频率而不是周期来思考问题，对我来说，试图反复将PULSE(0 5 1u 0 0 0.68u 1.36u)这样的东西解码成频率是有点令人厌烦。

负电压电荷泵的频率和能量

告知频率优化的基本现象是能量。在物理系统中，一般的规则是，更高的频率对应更高的能量。如果我们记住运动与能量直接相关--更确切地说，是动能，这在直觉上是有道理的。如果你打开和关闭一个电灯开关，你的手指在移动时就会消耗能量。如果你更频繁地按动开关--不改变任何其他东西--你必须在相同的时间内产生更多的手指运动；因此，你在每单位时间内消耗更多的能量，这就是力量的科学定义。同样，电压在5V和地面之间的 "运动 "涉及到能量的使用，如果这种电压转换发生得更频繁，那么每单位时间就需要更多能量。

负电压电荷泵中的振荡器是发生反转的基本能量来源。实际上，如果你回头看看我设计的SPICE原理图，振荡器位于其他组件之上，其输出分布在所有四个开关上，就好像它是一个电源。这就是我对这样一个系统中的振荡器的看法。基本上，它使用电压 "运动 "来转移和分配能量，有效地完成了将输入电压拉到地线以外并进入负电压区域的工作。

开关电容电路频率的优点和缺点

如果fOSC太低，开关系统就会缺乏动力，这表现为供应负载电流的能力下降，换句话说，就是输出电阻增大。事实上，一个理想化的开关电容电路的输出电阻与振荡器频率（以及C1的值）成反比。在这种情况下，"理想化 "意味着我们忽略了开关元件的电阻和电容器的等效串联电阻（ESR）。