電荷泵 - 電池基電源管理系統(tǒng)的設(shè)計分析

　　電荷泵

　　電荷泵稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”（flying）或“泵送”電容（而非電感或變壓器）來儲能的DC-DC（變換器）。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負(fù)電壓。其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)（0.5,2或3）倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調(diào)制過程可以保證高達(dá)80%的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關(guān)工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的輸出紋波和EMI（電磁干擾 ）

　　電荷泵可分為：1開關(guān)式調(diào)整器升壓泵 、2無調(diào)整電容式電荷泵 、3可調(diào)整電容式電荷泵。

　　電荷泵（開關(guān)電容器）IC提供dc-dc電壓變換，是用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)充電和放電一個或多個電容器。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在電容器的充電和放電狀態(tài)之間觸發(fā)。

　　如圖4所示，電容器C1穿梭充電，電容器C2保持電荷和濾波輸出電壓。

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　　基本的電荷泵缺乏穩(wěn)壓，通常要增加線性穩(wěn)壓或電荷泵調(diào)制。線性穩(wěn)壓具有最低的輸出噪聲，所以能提供較好的性能。電荷泵調(diào)制（控制開關(guān)電阻）對于給定的裸片大?。ɑ虺杀荆┠芴峁╊~外輸出電流，因為穩(wěn)壓器IC不需要包含串聯(lián)通路晶體管。

　　電荷泵的主要優(yōu)點是消除了與電感器或變壓器有關(guān)的磁場和EMI。存在的一個可能的EMI源是在輸入源或另外電容器連接不同電壓時，高充電電流流到電容器C1。穩(wěn)定的電荷泵降壓效率大于LDO，但小于電感開關(guān)穩(wěn)壓器。

　　選擇正確的穩(wěn)壓器拓?fù)?/p>

　　合適的電壓穩(wěn)壓器拓?fù)溥x擇從來自電池的輸入電壓和負(fù)載所需的電壓和電流著手。在已知這些參數(shù)后，就可開始選擇最佳電壓穩(wěn)壓器IC的進(jìn)程。

　　關(guān)鍵的參數(shù)包括：

　　最大輸出電流：電壓穩(wěn)壓器必須在所有工作條件下能提供負(fù)載所需的最大電流。一些穩(wěn)壓器可提供高達(dá)10A的電流，而另外一些穩(wěn)壓器僅給出200~300mA。

　　最大輸出電壓：所需的輸出電壓取決于具體應(yīng)用。某些拓?fù)淇商峁?0V或更高電壓，而另外拓?fù)涮峁?0V以下電壓。來自電池的輸入電壓也可影響電壓穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的最大電壓。

　　效率：效率是輸出功率與輸入功率之比，效率主要影響可用的電池壽命。效率越高，壽命越長。

　　大小和重量：物理尺寸和重量主要取決于電壓穩(wěn)壓器所需的外部元件數(shù)，電壓穩(wěn)壓器會影響電路板空間和設(shè)備尺寸。

　　EMI：電路板布線或電壓穩(wěn)壓器中的開關(guān)電路可能引起傳導(dǎo)和輻射EMI。

　　電源管理

　　不同負(fù)載需要不同的電池和不同的方法來管理電池電源和負(fù)載。表1給出3個主要應(yīng)用的關(guān)鍵要求。

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　　關(guān)鍵的設(shè)計折衷考慮

　　電池基系統(tǒng)性能低的最佳化需要折衷考慮電池、電壓穩(wěn)壓器和負(fù)載。

　　電池能量（安培一小時）與電池大小和重量的關(guān)系。

　　一次與二次電池比較。

　　熱量與處理器控制的電池監(jiān)控器的關(guān)系。

　　電池類型與充電要求的關(guān)系。

　　電池類型與保護(hù)要求的關(guān)系。

　　電壓穩(wěn)壓器拓?fù)渑c負(fù)載要求的關(guān)系。

　　電壓穩(wěn)壓器拓?fù)渑c效率的關(guān)系。

　　電壓穩(wěn)壓器拓?fù)洌üβ瘦敵觯┡c熱管理的關(guān)系。

　　電壓穩(wěn)壓器拓?fù)洌üβ瘦敵觯┡c半導(dǎo)體封裝大小的關(guān)系。

　　線性與開關(guān)穩(wěn)壓器的比較。

　　開關(guān)頻率與EMI的關(guān)系。

　　開關(guān)頻率與電路板大小/空間要求的比較

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