常见动态电路电感电容充放电分析

1. 电荷泵充放电方案

1.1 原理介绍

如上图，动态电路方案的工作步骤如下所示：

1. PWM1和PWM2信号控制MOS 管⑤⑥给电容⑧充电(PMW1和PWM2单片机锁频)。

2. 电容⑧和二极管⑨⑩组成单向电荷泵，将⑪充电为负压。

3. 电阻④⑦对充放电电流进行限制。

4. 保险丝③对系统工作电流进行保护。

5. MOS 管①对单片器驱动信号进行转换，而后驱动MOS 管⑤。 1.2 工作过程分析

首先对PWM 这一级的电路进行仿真，其仿真电路如下：

当输入波形为高时(绿色)，电容C3左侧为电源电压V1，右侧电荷通过D5释放掉，最终

右侧电压维持在0.7V 。 当输入波形变为低时，电容两侧电压差不会突变，由于左侧电压变为0，右侧电压则突变为-(V1-0.7V)(即维持了电容之前的压差)，此时电容C1充电，电流由C1流向C3，同时导致C3的电压上升，最后假如忽略二极管D1，则C1和C2将平分电压-(V1-0.7V)，但是由于二极管的存在，C3的电平将会比C1高0.7V 。 当输出波形在此变为高时，电容C 左侧变为V1，右侧电平由于被C1中和掉一部分，故右侧电平将大于0.7V ，此时通过D5放电，将右侧电平再次放电为0.7V 。 如上步骤重复若干次，最终C1处电压将变为-(V1-0.7V-0.7V)，由于上述仿真，V1为3.3V 故，C1处电平最终稳定在1.9V 左右。 1.3 方案仿真 1.3.1 参数计算

● 电容电压和充电时间关系：

Vt-电容电压，V0-初始电压，Vmax-电源电压，R-充电阻抗，C-电容，t-时间，E-电源电压。

()⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-⨯-+=-

RC

t

o o t e V V V V 1max

当V0=0时有：

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯=⇒⎪⎪⎭

⎫ ⎝

⎛-=-

t RC

t

t V E E RC t e E V ln 1 此时有：

当RC t =时，电容电压E 63.0=； 当RC t 2=时，电容电压E 86.0=； 当RC t 3=时，电容电压E 96.0=； 当RC t 4=时，电容电压E 98.0=； 当RC t 5=时，电容电压E 99.0=； 具体充电曲线如下：

● 电容电压和放电时间关系：

Vt-电容电压，E-电容初始电压，R-放电阻抗，C-电容，t-时间。

t

RC

t t V E RC t e

E V ln

⨯=⇒⨯=-

● 参数计算

对于当前设计，有以下参数，电容100uF 负载600R ，电源电压24V ，假如允许电源电压

在20V~22V 摆动，则有放电时间：

mS 7.5107.520

22

ln

10100600放36=⨯=⨯⨯⨯=--S t

对于充电从20V~22V 即从0.83E 充电到0.91E ，对照上文，大致有：

RC t =冲

假如按50%充电比率，则充电时间按放电时间一般，代入t 冲=2.85mS ，C=100uF ，可得：

5.28101001085.2C 冲t R 6

3=⨯⨯==--S

即充电电阻大致在28.5R 左右。

综上可得，在600R 放电电阻，电容100uF ，输出电压在20V~22V 范围内变化情况下， 电路应做如下配置：

● 充电电阻为28.5R 左右 ● PWM 周期在175Hz 左右 1.3.2 波形仿真

根据上述参数做仿真如下：

如上图，仿真结果基本与结算吻合。

然后引入动态电路，二极管按理想二极管，压降设为0，仿真结果如下：

仿真结果如上，由于双电容增加的容抗和延时，电压略有下降，基本也在-20V左右。用双MOS控制上下电，仿真结果如下所示：

将二极管回调至0.7V压降，仿真结果如下：

将充电电阻调至10R，频率提高到10KHz，仿真结果如下：

综上，在电容100uF，充电电阻28.5R，操作频率175Hz的情况下，基本上能保证负载600R在20V左右电平工作。

假如需要提升电荷泵性能，可从充电电阻和操作频率两方面做调节。

电感

2.电感充放电方案(开关电源方案)

2.1方案介绍

此方案可视为变压器隔离方案的变形，将变压器隔离方案中的变压器使用一个电感代替，利用电感的续流功能工作，此方案的工作流程如下：

1.PWM1控制光耦隔离①，周期性通断。

2.电感②在断开时，进入续流模式，通过二极管③，将电容④充电为负压。

3.V1+和V1-给第二级电路供电，第二级电路工作原理同第一级电路。

4.在OUT端生成电压V2+和V2-驱动外部继电器。

2.2方案仿真

如上图所示，采用R3,4R将系统限流到6A，电感采样采用22uH常用电感，设置系统工作频率为25KHz，第一级工作波形如下如所示：

如上图，在MOS管关闭(蓝色为低时)，流经电感的电流不会马上消失(红色部分)，而是转由二极管续流，此时V2电压被瞬间拉低为负压，随着续流电流减小，V2页逐渐趋近于0，这个过程V3被充电，由于没有释放路径电压逐渐增加。

在MOS打开时(蓝色为高时)，电流急剧增加，由于电感的存在，给V2提供一个瞬间的感应电压，随着电流趋于稳定，V2电压逐渐被拉低，趋近于0。

通过上述分析，第一级在工作时，会不断给V3即C1充电，故第二级电路可用此作供电电源。

第二级的工作状态如下：

同第一级的工作原理类似，V6会被不断充电，并提供给模拟负载R6使用100R内阻。

将整个采样时间加长，得到仿真波形如下：