请问如何利用单片机IO口产生两倍的电源电压？

简介
在很多情况下，电子系统中需要获得比工作电源高的电压电源，或者负电源。比如在一些功率器件(MOS)的基极驱动信号、扩展运算放大器的动态范围、一些通信信号(UART232)。
现在有很多专门的芯片，可以提供高效的电压转换，比如ICL7660就是一个非常通用的开关电压转换芯片，通过灵活的配置，可以产生-Vcc, 2VCC等不同的电源。并且可以通过级联获得更高倍数的电压信号。
如果仅仅是为了驱动一个高端MOS管的动作，需要有两倍以上的VCC作为基极信号，控制器开断，那么可以使用单片机的IO口来产生两倍的工作电源。

下面给出了基于STC8G1K08(SOP16封装)设计的方案，以及相关的应用。
方案

这个方案最初的目标是用于制作STC无线远程自动程序下载器。由于STC系列的单片机在自动下载的时候，一种最通用的方式，就是使得单片机冷启动，在此过程中，配合PC端的ISP程序在单片机上电过程完成握手信号，使得单片机进入底层监控程序，最终完成下载。
为了能够自动控制外部单片机电源的通断，通常可以使用微型继电器、大功率MOS管。为了便于后期的通讯，当做开关作用的MOS管位于电源的上端，那么控制它的通断的栅极驱动信号就需要比VCC更高的电压。下面给出的方案就是借助于倍压整流(或者仿照ICL7660的工作原理)的方案。
1、原理图设计

本实验的实验工程文件：

  “
  D:zhuoqingAltiumDesignerSTCTest2020Download7660L.SchDoc

整体的电路原理如下。利用单片极IO口只是该电路功能的一部分。
   
▲ 直接应用单片机IO口完成倍压整流
使用STC8G1K08的CCP2输出第3通道的PWM波形。配合P3.6输出高电平和低电平，经过两个肖特基二极管的倍压整流(DT，DT1，C20, C21)最终可以在MOS管T1的栅极形成2VCC的电压。
工作模式1： P5VCTN输出+5V，PWMO输出占空比为50%的方波信号。C20电容上就会交替充上+5V电压，然后通过DT往C21上冲进2VCC 的电压。
在这种情况下，可以将DT,DT1,C20,C21看成对PWMO的标准倍压整流电路；
此时T1的栅极上施加有2VCC(+10V)的驱动电压，对外的电源打开。
工作模式2： 输出0V模式。此时将P5VCNTN输出为0V，PWM0停止振荡，它可以停留在0V，也可以停留在+5V，由于C20的隔直，所以停止振荡的PWMO信号不会对输出产生影响。
此时，T1栅极的电压经过RT1接到地，输出关断。
2. 制作实验电路板

通过设计单面PCB版图，利用快速制版方式获得实验电路。
   
▲ 实验电路板
其中。在C100处焊接容量为1000uF的电容，这使得开关对外负载如果也具有很大的容性的时候，可以提供比较大的冲击电流。
如果该电容没有焊接，或者采用的电容较小，此时在MOS开启对外负载供电的时候，对本电路电压产生冲激，使得电路中的单片机重启。
实验结果

实验中的单片机软件目录：

  “
  D:zhuoqingwindowC51STCToolsSTCDLSTCDL8G1K1PWMSTCDL8G1K1.uvproj

1. 软件相关配置

STC的单片机内部时钟配置在35MHz。
   
▲ STC8G1K 硬件配置
在PWM输出使用8Bit的模式。
2. 相关子程序

控制10V输使用下面两个指令。需要同时控制P5V，PWMO的输出。
#define P10V_ON                 ON(P5V_PIN), PWM3SetPWM(0x7f)          #define P10V_OFF                OFF(P5V_PIN), PWM3SetPWM(0xff) 3. 电路各部分的信号

系统上电，并下载程序之后，测量电路的各部分的信号以及输出性能。
   
▲ 实验电路板上电后的情况
参与产生电压的两个IO口，都设置为PUSH-POLL的大电流输出模式。
(1)驱动波形：
测量电路中的波形如下图所示：
   
▲ 电路上的两部分的波形
(2)输出的2VCC电压：
由于存在整流二极管的电压降，所以实际输出的电压比2VCC要低。在MOS的栅极上可以测到得到输出的驱动电压为：9.33V。
(3)MOS输出阻抗：
使用手持的RLC表，测量T1(MOS)的D,S极之间的电阻，大约为40mΩ。这说明该MOS管被充分打开了。
   
▲ 测量阻抗的手持RLC表
4. 倍压部分输出特性

使用电子负载作为倍压整流的负载，测量在不同的输出电流下，倍压整流的输出电压。
   
▲ 电子负载外观
如下是测量不通电流下的输出电压，
vdc=[-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,-0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.00,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01]vout=[9.31,9.30,9.31,9.31,9.30,9.31,9.31,9.30,9.30,9.31,9.30,9.31,9.31,9.30,9.30,9.31,9.30,9.30,9.11,9.01,8.91,8.82,8.71,8.61,8.51,8.41,8.31,8.21,8.10,8.00,7.90,7.78,7.67,7.57,7.45,7.34,7.22,7.10,6.99,6.87,6.74,6.62,6.49,6.36,6.23,6.09,5.95,5.81,5.66,5.50,5.34,5.18,5.00,4.81,4.63,4.47,4.34,4.26,4.20,4.15,4.11,4.07,4.02,3.99,3.95,3.90,3.87,3.83,3.79,3.75,3.71,3.67,3.63,3.59,3.54,3.50,3.46,3.41,3.37,3.33,3.27,3.23,3.18,3.13,3.08,3.03,2.97,2.93,2.87,2.81,2.76,2.70,2.64,2.58,2.53,2.46,2.40,2.34,2.26,2.19] 从下面图中俗称，输出电压随着电流的增加逐步下降。
   
▲ 倍压整流输出电压与电流之间的关系
输入电流和电压变化范围大体如下：
则倍压整流的输出等效电阻为：

实验中的测量程序：


#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2020-05-02
#
# Note:
#============================================================


from headm import *
from tsmodule.tshardware    import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *
#------------------------------------------------------------
vdc, vout = tspload('testdata', 'vdc', 'vout')


i0 = (99 - 37)
v0 = 1.1e-3


vstart = vdc[0]


def v2i(v):
    return (v - vstart) * i0 / v0/ 10


printf(vdc, vout)
I = [v2i(v) for v in vdc]


plt.plot(I, vout)
plt.xlabel('Out Current(ms)')
plt.ylabel('Out Voltage(V)')
plt.grid(True)
plt.show()


exit()


#------------------------------------------------------------
dm3068open()


#------------------------------------------------------------
vdcdim = []
voutdim = []


for s in range(100):
    zbcmd(b'clzigbee %d'%s)


    time.sleep(1)
    vdc = dm3068vdc()
    meter = meterval()
    vout = meter[0]


    printf("VDC:%f, VOUT:%f"%(vdc, vout))


    vdcdim.append(vdc)
    voutdim.append(vout)
    tspsave('testdata',vdc=vdcdim, vout=voutdim)


printf('a')
tspsave('testdata',vdc=vdcdim, vout=voutdim)


plt.plot(vdc, vout)
plt.show()






#------------------------------------------------------------








#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================


结论
直接使用能够输出大电流的单片机IO口（设置为Push-Poll模式），可以产生2VCC的高压。通过其它方式的二极管整流方式，也可以产生负电压。


由于在本实验应用中驱动MOS管的栅极负载非常小，所以所产生的2VCC电源的功率可以满足需求。