一文解析什么是電荷泵電源

電荷泵（Charge Pump）是“開關(guān)電容技術(shù)”眾多應(yīng)用中的一種。利用開關(guān)電容充放電不同的連接方式，以非常簡單的電路實現(xiàn)DC/DC的升壓、降壓、負(fù)壓等變換器功能。

如圖，這是一個最簡單的電荷泵電源，用來實現(xiàn)1/2降壓的功能。

與基于電感的開關(guān)電源變換器相比，電荷泵尺寸小，沒有電感器和變壓器所帶的磁場和EMI干擾；而且，尤其是在集成電路中，與電感、變壓器相比，電容更容易與芯片集成，所以電荷泵被廣泛應(yīng)用。

然而，傳統(tǒng)的利用電容電荷交換為放電電容充電的容性功率轉(zhuǎn)換會出現(xiàn)巨大損耗。 舉例來說，一個電壓為V的電容C，給另外一個電壓為0，容量同樣為C的電容充電。

充電前，兩者的能量總和為第一個電容的能量，1/2*C*V^2；

充電后，電荷重新分布，兩個電容的電壓均為1/2*V，兩個電容的能量總和為1/4*C*V^2。

損失了一半的能量。

容性功率轉(zhuǎn)換導(dǎo)致出現(xiàn)巨大損耗

進(jìn)一步的分析表明，即使在理想開關(guān)的情況下，都是有損的，而且損耗和兩電容之間的開關(guān)的導(dǎo)通電阻無關(guān)。 這個損耗，叫做”Charge Redistribution Loss”，就是“電荷再分布損耗”。也就是說，只要兩個電容在有壓差的情況下，進(jìn)行了電荷傳輸，就會有損耗。類似兩個木桶里有不同高度的水，把兩桶水位平均后水的總量沒有變，但是水的勢能改變了。 有人會問，理想開關(guān)的導(dǎo)通電阻是0，怎么還會有損耗呢？這個損耗到底去哪了？ 其實，這個損耗歸根到底還是導(dǎo)通損耗。當(dāng)理想開關(guān)導(dǎo)通電阻為0時，電阻兩端電壓為0，導(dǎo)通電流無窮大。零乘無窮大的結(jié)果是一個常數(shù)。

開關(guān)導(dǎo)致能量損耗

如圖，上半部分顯示的是一個電壓源，在有壓差的情況下硬開關(guān)的導(dǎo)致出現(xiàn)損耗。粉紅色的是電壓源的電壓，保持不變；淡藍(lán)色的是被充電的電容的電壓，逐漸建立起來的過程。右邊顯示的綠色線是充電電流。粉色的電壓源電壓減去淡藍(lán)色的電容電壓，就是開關(guān)兩端的壓差，與電流的乘積，就是導(dǎo)通損耗。 有多種方法，來消除或者減小這個導(dǎo)通損耗。 比如，采用ZVS的軟開關(guān)技術(shù)，使用電流源來給電容充電。電流源的電壓與被充電的電容保持同步，開關(guān)兩端沒有壓差，從而消除導(dǎo)通損耗。

村田為提供效率高、體積小的電源模塊，不斷采用創(chuàng)新技術(shù)。

2017年，村田收購了由麻省理工學(xué)院成立的新創(chuàng)企業(yè)Arctic Sand。Arctic Sand在開關(guān)電容技術(shù)及其創(chuàng)新拓?fù)浞矫鎿碛谐^125項專利。利用這些創(chuàng)新的專利技術(shù)，以及制程的垂直整合，村制造出更小更薄的電源模塊，同時具有優(yōu)秀的電磁兼容性能，以滿足業(yè)界領(lǐng)先的高標(biāo)準(zhǔn)需求。

村田在常見非隔離模塊設(shè)計上創(chuàng)新地提出靈活的2級管道電源架構(gòu)。將開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和Buck或者Boost級的模塊靈活的組合起來。

獨特架構(gòu)為器件帶來諸多優(yōu)勢：

減小>50%占板面積

組件厚度降低50%+

大大降低功率損耗

優(yōu)秀的EMI抗輻射干擾能力

更小文波輸入電流

... ...

村田電荷泵創(chuàng)新的2級管道電源架構(gòu)

村田電荷泵的高度靈活的多級架構(gòu)，包含有專利的“管道”級開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，以及后接的buck或者boost級。其中，第一級的電荷泵幾乎是無損的，而且效率與輸入和輸出的電壓差幾乎無關(guān)。 因為電荷泵中的電容做了大部分工作，使得第二級的buck電路可以極大的減小輸出濾波電感的尺寸，同時，第二級的輸入電壓降低了，可以利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作的低壓開關(guān)管。

使用兩級架構(gòu)，除了減小尺寸，還可以帶來其它好處。例如：

更小的輸入紋波電流和輻射干擾水平；

更高的效率且可高達(dá)20MHz的開關(guān)頻率；

更大的占空比；

小尺寸低感值可以提供更快的動態(tài)響應(yīng)，工作在更高的開關(guān)頻率等。

目前村田已經(jīng)大量生產(chǎn)此系列的電荷泵產(chǎn)品。既有分立IC形態(tài)；也有獨立電源模塊的形態(tài)，使用了村田先進(jìn)的封裝科技，并在7月舉辦的慕尼黑電子展精彩亮相。