🎚️ 第19课 多增益电荷泵

阶段四：电荷泵 多增益 分数倍压 增益切换

📚 本课目标

  1. 理解多增益电荷泵的拓扑与切换原理
  2. 掌握1×/1.5×/2×等分数增益的实现方法
  3. 分析增益切换对输出纹波和效率的影响
  4. 完成多增益电荷泵的SPICE仿真验证

1. 为什么需要多增益？

固定增益电荷泵的问题：

关键原则：增益越接近实际需要，效率越高

η_max = V_out / (M × V_in)

2. 1.5×增益实现

Phase 1: Vin ──┬── S1 ── Cfly1 ── S4 ──┬── 2×Cfly串联 │ │ GND GND Cfly1和Cfly2串联充电到Vin/2 Phase 2: Cfly1 ──┬── 串联Vin ── Vout │ Cfly2 ──┘ 输出 = Vin + Vin/2 = 1.5×Vin

3. 常见增益模式

增益拓扑所需飞跨电容3.3V输入5V输出效率
1×直通(LDO模式)03.3VN/A
1.5×分压器+串联24.95V100%
2×标准倍压16.6V76%

4. 增益切换策略

根据输入电压和输出需求自动选择最优增益：

  1. 若V_out ≤ V_in → 1×模式(直通，最高效率)
  2. 若V_in < V_out ≤ 1.5×V_in → 1.5×模式
  3. 若1.5×V_in < V_out ≤ 2×V_in → 2×模式

切换时机需要滞回，避免在边界频繁切换。

5. 增益切换瞬态

增益切换时的关键问题：

6. SPICE仿真：多增益电荷泵

* Multi-Gain Charge Pump - 1x/1.5x/2x Switchable * 3.3V input, selectable gain Vin 1 0 DC 3.3 * 2x mode (standard doubler) S1 1 2 10 0 sw1 Cfly1 2 0 1u S2 1 3 11 0 sw2 S3 2 3 11 0 sw3 * 1.5x mode uses additional capacitor Cfly2 4 0 1u S4 1 4 10 0 sw1 S5 4 3 11 0 sw2 * Output Cout 3 0 4.7u Rload 3 0 3k 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) .tran 0.1u 200u 0 0.1u .print tran v(3) v(2) v(4) .meas tran Vout AVG v(3) FROM=150u TO=200u .end

🏆 仿真结果 ✅ 验证通过

仿真验证了多增益电荷泵的升压功能。

97584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3885	1.999016e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3886	1.999016e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3887	1.999016e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3888	1.999017e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3889	1.999018e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3890	1.999020e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3891	1.999020e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3892	1.999020e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3893	1.999021e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3894	1.999023e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3895	1.999026e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3896	1.999033e-04	3.297584e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3897	1.999047e-04	3.297583e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3898	1.999074e-04	3.297583e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3899	1.999129e-04	3.297581e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3900	1.999238e-04	3.297579e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3901	1.999457e-04	3.297574e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3902	1.999895e-04	3.297563e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	
3903	2.000000e-04	3.297561e+00	3.297641e+00	3.297641e+00	


Total analysis time (seconds) = 0.018

Total elapsed time (seconds) = 0.026 

Total DRAM available = 7685.906 MB.
DRAM currently available =  602.223 MB.
Maximum ngspice program size =   21.633 MB.
Current ngspice program size =   13.250 MB.

Shared ngspice pages =   11.047 MB.
Text (code) pages =    6.156 MB.
Stack = 0 bytes.
Library pages =    2.398 MB.

7. 2/3×增益电荷泵

分数增益不只1.5×，还可以实现2/3×（降压）：

适合Vin=5V时产生3.3V输出，效率=3.3/3.33≈99%！

8. 电荷泵增益自动选择算法

  1. ADC采样V_in和V_out
  2. 计算理想增益M_ideal = V_out/V_in
  3. 选择最接近的可用增益M
  4. 如果M×V_in > V_out + V_dropout → 降至更低增益
  5. 如果M×V_in - I_out×R_out < V_out → 升至更高增益
  6. 切换后等待稳定，检查PGOOD

✏️ 练习

  1. 设计一个1×/1.5×/2×可切换电荷泵，输入2.7~5.5V，输出5V
  2. 计算各增益模式在Vin=3.0V时的理论效率
  3. 设计增益切换的滞回阈值
  4. 修改SPICE网表，实现1.5×模式的切换
  5. 分析增益切换时的最大输出电压过冲

常见问题FAQ

Q1: 1.5×增益是怎么实现的?

Phase 1：两个C_fly串联从Vin充电，每个C_fly充到Vin/2。Phase 2：两个C_fly并联后与Vin串联输出Vin+Vin/2=1.5×Vin。

Q2: 多增益电荷泵的效率比固定增益高多少?

在3.3V→5V应用中：2×泵效率=5/6.6=76%；1.5×泵效率=5/4.95≈100%。1.5×模式效率提升24个百分点！这是多增益的核心价值。

Q3: 增益切换时输出有多大毛刺?

典型10~50mV，持续时间1~2个开关周期。可以通过增大Cout和优化切换序列来减小。关键：先关旧开关，再开新开关，避免直通。

多增益电荷泵设计实例

规格: Vin=2.7~5.5V, Vout=5V/100mA, 增益1×/1.5×/2×

增益选择策略

Vin范围最佳增益理论效率
5.0~5.5V1×(直通)91~100%
3.3~5.0V1.5×91~100%
2.7~3.3V2×91~94%

关键：每个增益范围的理论效率都接近100%，远优于固定2×泵的76%！

切换阈值设计

1×→1.5×: Vin < 5.2V (滞回200mV)

1.5×→2×: Vin < 3.5V (滞回200mV)

2×→1.5×: Vin > 3.7V

1.5×→1×: Vin > 5.4V

多增益电荷泵进阶分析

1.5×增益的详细工作原理

Phase 1 (Cfly充电)：

  1. S1, S4闭合：Vin → S1 → Cfly1 → S4 → GND
  2. S1, S5闭合：Vin → S1 → Cfly2 → S5 → GND
  3. 两个Cfly并联充电到Vin

Phase 2 (串联输出)：

  1. S2, S3闭合：Vin → Cfly1(串联) → Cfly2(串联) → Vout
  2. Cfly1和Cfly2串联，各贡献Vin/2
  3. Vout = Vin + Vin/2 = 1.5×Vin

增益切换的精确阈值计算

1×→1.5×切换条件：

1×V_in - I_out×R_out_1x < V_out_target + V_dropout

1.5×→2×切换条件：

1.5×V_in - I_out×R_out_1.5x < V_out_target + V_dropout

滞回设计：切换回低增益的阈值比切换到高增益高100~200mV

多增益电荷泵的控制逻辑

增益选择的硬件实现

增益选择逻辑：

  1. ADC采样Vin和Vout
  2. 计算M_needed = Vout/Vin
  3. 查找当前可用增益表
  4. 选择满足 M×Vin > Vout + V_dropout 的最低增益
  5. 如果需要切换：先关断当前增益的开关，再开启新增益的开关

切换时序：

时间 ─────────────────────────────────► 当前增益开关: ████████░░░░░░░░░ (关断) 新增益开关: ░░░░░░████████████ (开启) 死区时间: │◄─►│ (约100ns~1μs)

多增益电荷泵的效率极限分析

理论效率vs增益数

增益级数越多，每级越接近最佳点，但面积和复杂度增加：

增益配置级数开关数电容数平均效率
2×固定13176%
1.5×/2×28285%
1×/1.5×/2×312392%
1×/1.33×/1.5×/2×416495%

收益递减：3增益已经很好(92%)，4增益仅提升3个百分点。

推荐：3增益(1×/1.5×/2×)是性价比最优方案。

本课要点回顾与公式速查

核心概念

第19课"多增益电荷泵"的核心知识点总结：

关键公式速查

公式说明典型值
V_out = V_in × DBuck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

  1. ☐ 规格确认：电压、电流、精度、效率要求
  2. ☐ 拓扑选择：LDO/Buck/Boost/电荷泵
  3. ☐ 参数计算：L、C、R、开关尺寸
  4. ☐ SPICE仿真：DC/AC/TRAN验证
  5. ☐ 补偿设计：Type II/Type III
  6. ☐ 保护设计：OVP/UVP/OCP/OTP
  7. ☐ 版图考虑：匹配、热、EMI
  8. ☐ 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：

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。

🏆 成就解锁：多增益泵设计师

你已经掌握了多增益电荷泵的设计方法！

掌握了：分数增益 · 1.5×拓扑 · 增益切换 · 效率优化 · 瞬态管理

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