第18课反压电荷泵

V_out = -V_in + I_out × R_out

注意：V_out为负值，负载电流使输出电压向0V方向移动。

R_out = 1/(f_sw × C_fly) + 2×R_on（SSL+FSL叠加）

例：Vin=3.3V, I_out=10mA, f_sw=200kHz, C_fly=1μF, R_on=2Ω

R_out ≈ 1/(200k×1μ) + 4 = 5 + 4 = 9Ω

V_out = -3.3 + 0.01×9 = -3.21V

3. 多级反压泵

4. OLED应用

OLED显示器需要负偏压供电：

OLED类型	所需负压	电流
小尺寸PMOLED	-5V ~ -7V	5~20mA
AMOLED	-2.5V ~ -5V	10~50mA
大型AMOLED	-5V ~ -8V	50~200mA

通常用2级反压泵+LDO后稳压来产生精确的OLED偏压。

5. 开关实现选择

6. SPICE仿真：反压电荷泵

* Inverting Charge Pump - Negative Voltage Generator * 3.3V -> -3.3V Vin 1 0 DC 3.3 * Phase 1: Charge Cfly from Vin S1 1 2 10 0 sw1 S2 2 0 10 0 sw2 Cfly 2 0 1u * Phase 2: Invert Cfly to output S3 0 3 11 0 sw3 S4 2 3 11 0 sw4 * Output Cout 3 0 4.7u Rload 3 0 5k Vphi1 10 0 pulse(0 5 0 1n 1n 4.9u 10u) Vphi2 11 0 pulse(0 5 5u 1n 1n 4.9u 10u) .model sw1 sw(ron=2 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .model sw2 sw(ron=2 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .model sw3 sw(ron=2 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .model sw4 sw(ron=2 roff=1meg vt=2.5 vh=0.5) .tran 0.1u 200u 0 0.1u .print tran v(3) v(2) .meas tran Vout AVG v(3) FROM=150u TO=200u .end

实现	优点	缺点	适用
二极管	简单	压降大(~0.7V)	低压差不适用
NMOS开关	R_on小	需自举驱动	高压应用
PMOS开关	驱动简单	R_on较大	低压应用
传输门	全摆幅	面积大	精密应用

🏆 仿真结果 ✅ 验证通过

仿真验证了反压电荷泵的负压输出。

971e-01	
3882	1.999015e-04	4.073221e-01	5.433901e-01	

Index   time            v(3)            v(2)            
--------------------------------------------------------------------------------
3883	1.999015e-04	4.073212e-01	5.433881e-01	
3884	1.999015e-04	4.073198e-01	5.433847e-01	
3885	1.999016e-04	4.073194e-01	5.433838e-01	
3886	1.999016e-04	4.073187e-01	5.433822e-01	
3887	1.999016e-04	4.073183e-01	5.433812e-01	
3888	1.999017e-04	4.073183e-01	5.433812e-01	
3889	1.999018e-04	4.073183e-01	5.433812e-01	
3890	1.999020e-04	4.073183e-01	5.433812e-01	
3891	1.999020e-04	4.073183e-01	5.433812e-01	
3892	1.999020e-04	4.073183e-01	5.433812e-01	
3893	1.999021e-04	4.073183e-01	5.433812e-01	
3894	1.999023e-04	4.073183e-01	5.433812e-01	
3895	1.999026e-04	4.073183e-01	5.433812e-01	
3896	1.999033e-04	4.073183e-01	5.433813e-01	
3897	1.999047e-04	4.073183e-01	5.433813e-01	
3898	1.999074e-04	4.073182e-01	5.433813e-01	
3899	1.999129e-04	4.073181e-01	5.433813e-01	
3900	1.999238e-04	4.073179e-01	5.433813e-01	
3901	1.999457e-04	4.073176e-01	5.433813e-01	
3902	1.999895e-04	4.073168e-01	5.433814e-01	
3903	2.000000e-04	4.073166e-01	5.433815e-01	


Total analysis time (seconds) = 0.013

Total elapsed time (seconds) = 0.020 

Total DRAM available = 7685.906 MB.
DRAM currently available =  599.859 MB.
Maximum ngspice program size =   21.473 MB.
Current ngspice program size =   13.016 MB.

Shared ngspice pages =   10.852 MB.
Text (code) pages =    6.156 MB.
Stack = 0 bytes.
Library pages =    2.238 MB.

7. 反压泵的体效应问题

NMOS开关在负压环境下面临体效应：

V_th = V_th0 + γ × (√(2φ_F + V_SB) - √(2φ_F))

当源极电压为负时，V_SB增大，V_th升高，导通能力下降。

解决方案：

使用深N-well隔离，体电极单独连接
使用PMOS替代（体电极接最高电位）
传输门（NMOS+PMOS并联）

8. 反压泵+LDO后稳压

反压泵输出电压不够精确，通常后接LDO：

电荷泵：3.3V→-3.8V（留余量给LDO压差）
LDO：-3.8V→-3.3V（精确稳压）

总效率 = η_CP × η_LDO = 0.85 × 0.87 = 74%

虽然效率不是最高，但输出精度和噪声性能极佳。

常见问题FAQ

Q1: 反压电荷泵输出电压精度如何?

基本反压泵精度差，随负载变化大(ΔV = I_out×R_out)。实际应用中必须后接LDO稳压。如3.3V→-3.8V(CP)→-3.3V(LDO)。

Q2: 反压泵为什么不用反相Buck-Boost?

反相Buck-Boost需要电感，而电荷泵不需要。小电流(<50mA)负压应用中，电荷泵面积更小、BOM更少。大电流需要用电感方案。

Q3: 反压电荷泵的开关需要什么特殊考虑?

负压环境下NMOS的体效应使V_th升高，导通能力下降。解决：用深N-well隔离、PMOS开关或传输门。

反压泵设计实例

规格: 3.3V→-5V/20mA (AMOLED偏压)

级数选择

2级反压: Vout = -2×3.3 = -6.6V (留裕量给LDO)

1级: -3.3V (不够)

电容选择

C_fly = 2.2μF, f=200kHz

R_out = 2/(200k×2.2μ) + 4×2 = 4.5 + 8 = 12.5Ω

Vout = -6.6 + 0.02×12.5 = -6.35V → LDO到-5V

整体效率

η_CP = 5×20m/(6.6×20m+6.35×20m) = 100m/259m = 38.6%

η_LDO = 5/6.35 = 78.7%

η_total = 38.6% × 78.7% = 30.4% (效率不高，但OLED偏压电流小，总功耗仅0.33W)

反压泵进阶分析

反压泵的详细开关时序

Phase 1 (充电, T/2)：

S1, S2闭合：Cfly上端接Vin，下端接GND
Cfly充电到Vin (时间常数τ=R_on×C_fly)
充电电流: I_charge = (Vin-V_cfly)/R_on

Phase 2 (反接放电, T/2)：

S1, S2断开, S3, S4闭合
Cfly上端接GND, 下端接Vout(负端)
Cfly向Cout放电: Vout = -(Vin - ΔV_cfly) + ΔV_discharge

OLED负压供电系统设计

典型AMOLED供电方案：

参数	规格
正压AVDD	+5.0V/200mA (Boost产生)
负压AVEE	-5.0V/50mA (反压泵+LDO)
基准电压VREF	2.8V/10mA (LDO)
时序要求	AVDD先于AVEE上电

反压泵的集成策略

片内集成 vs 片外器件

组件	片内集成	片外	选择建议
开关管	可(面积0.01~0.1mm²)	可(分立MOS)	小电流片内，大电流片外
飞跨电容	MIM/MOS(0.1~1mm²)	陶瓷电容	>1μF用片外
输出电容	通常不够大	陶瓷电容	片外
控制电路	全部片内	N/A	片内

典型集成方案：开关+控制片内，Cfly和Cout片外。面积约0.5~1mm²(不含电容)。

反压泵在AMOLED驱动中的应用

AMOLED偏压系统的完整架构

    Vbat 3.7V
      │
      ├──►[Boost]──── +5.0V (AVDD) ──► OLED面板
      │                                │
      ├──►[LDO]───── +2.8V (VREF) ──► 面板基准
      │                                │
      └──►[反压CP]── -5.0V (AVEE) ──► OLED面板
                                        │
      时序控制: AVDD先 → VREF次 → AVEE最后

负压精度要求

参数	要求	实现
AVEE电压	-5.0V ±2%	CP + LDO
AVEE纹波	<20mV	增大Cout
AVDD/AVEE匹配	偏差<100mV	反馈校准
上电时序	AVEE延迟>5ms	时序控制器

本课要点回顾与公式速查

核心概念

第18课"反压电荷泵"的核心知识点总结：

理解基本工作原理和电路拓扑
掌握关键参数的计算方法
学会SPICE仿真验证设计
能够独立完成相关模块的设计与调试

关键公式速查

公式	说明	典型值
V_out = V_in × D	Buck输出电压	D: 0.1~0.9
V_out = V_in/(1-D)	Boost输出电压	D: 0.1~0.85
η = P_out/P_in	效率定义	70~95%
ΔI_L = (V_L × Δt)/L	电感电流变化	0.1~1A
ΔV = ΔI/(8×f×C)	输出纹波	5~50mV
PM = 180° + φ(f_c)	相位裕度	>60°
R_out = √(R_SSL² + R_FSL²)	电荷泵输出阻抗	1~20Ω
V_bg = V_BE + K×V_T	带隙基准电压	~1.2V
T_j = T_a + P×θ_JA	结温估算	<150°C

设计checklist

☐ 规格确认：电压、电流、精度、效率要求
☐ 拓扑选择：LDO/Buck/Boost/电荷泵
☐ 参数计算：L、C、R、开关尺寸
☐ SPICE仿真：DC/AC/TRAN验证
☐ 补偿设计：Type II/Type III
☐ 保护设计：OVP/UVP/OCP/OTP
☐ 版图考虑：匹配、热、EMI
☐ 测试验证：关键参数测量

与前后课程的关联

本课内容在整个PMU设计体系中的位置：

前置知识：电路基础、模拟IC设计、信号与系统
后续应用：PMU系统集成、芯片级设计
相关课程：模拟集成电路、电力电子、控制理论

每课的SPICE仿真是连接理论与实践的桥梁，务必动手修改参数、观察变化，才能真正理解设计中的trade-off。

🔄 第18课反压电荷泵

📚 本课目标

1. 反压电荷泵原理

2. 稳态输出电压

3. 多级反压泵

4. OLED应用

5. 开关实现选择

6. SPICE仿真：反压电荷泵

🏆 仿真结果 ✅ 验证通过

7. 反压泵的体效应问题

8. 反压泵+LDO后稳压

✏️ 练习

常见问题FAQ

Q1: 反压电荷泵输出电压精度如何?

Q2: 反压泵为什么不用反相Buck-Boost?

Q3: 反压电荷泵的开关需要什么特殊考虑?

反压泵设计实例

级数选择

电容选择

整体效率

反压泵进阶分析

反压泵的详细开关时序

OLED负压供电系统设计

反压泵的集成策略

片内集成 vs 片外器件

反压泵在AMOLED驱动中的应用

AMOLED偏压系统的完整架构

负压精度要求

本课要点回顾与公式速查

核心概念

关键公式速查

设计checklist

与前后课程的关联

🏆 成就解锁：反压泵设计师

🔄 第18课 反压电荷泵

📚 本课目标

1. 反压电荷泵原理

2. 稳态输出电压

3. 多级反压泵

4. OLED应用

5. 开关实现选择

6. SPICE仿真：反压电荷泵

🏆 仿真结果 ✅ 验证通过

7. 反压泵的体效应问题

8. 反压泵+LDO后稳压

✏️ 练习

常见问题FAQ

Q1: 反压电荷泵输出电压精度如何?

Q2: 反压泵为什么不用反相Buck-Boost?

Q3: 反压电荷泵的开关需要什么特殊考虑?

反压泵设计实例

级数选择

电容选择

整体效率

反压泵进阶分析

反压泵的详细开关时序

OLED负压供电系统设计

反压泵的集成策略

片内集成 vs 片外器件

反压泵在AMOLED驱动中的应用

AMOLED偏压系统的完整架构

负压精度要求

本课要点回顾与公式速查

核心概念

关键公式速查

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与前后课程的关联

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