電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器是一種DC/DC變換器,它將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負電壓,即VOUT= -VIN。另外,它也可以把輸出電壓轉(zhuǎn)換成近兩倍的輸入電壓,即VOUT≈2VIN。由于它是利用電容的充電、放電實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移的原理構(gòu)成,所以這種電壓反轉(zhuǎn)器電路也稱為電荷泵變換器(Charge Pump Converter)。
電荷泵的應(yīng)用
電荷泵轉(zhuǎn)換器常用于倍壓或反壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換。電荷泵電路采用電容作為儲能和傳遞能量的中介,隨著半導體工藝的進步,新型電荷泵電路的開關(guān)頻率可達1MHz。電荷泵有倍壓型和反壓型兩種基本電路形式。
電荷泵電路主要用于電壓反轉(zhuǎn)器,即輸入正電壓,輸出為負電壓,電子產(chǎn)品中,往往需要正負電源或幾種不同電壓供電,對電池供電的便攜式產(chǎn)品來說,增加電池數(shù)量,必然影響產(chǎn)品的體積及重量。采用電壓反轉(zhuǎn)式電路可以在便攜式產(chǎn)品中省去一組電池。由于工作頻率采用2~3MHz,因此電容容量較小,可采用多層陶瓷電容(損耗小、ESR 低),不僅提高效率及降低噪聲,并且減小電源的空間。
雖然有一些DC/DC 變換器除可以組成升壓、降壓電路外也可以組成電壓反轉(zhuǎn)電路,但電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器僅需外接兩個電容,電路最簡單,尺寸小,并且轉(zhuǎn)換效率高、耗電少,所以它獲得了極其廣泛的應(yīng)用。
目前不少集成電路采用單電源工作,簡化了電源,但仍有不少電路需要正負電源才能工作。例如,D/A 變換器電路、A/D 變換器電路、V/F或F/V 變換電路、運算放大器電路、電壓比較器電路等等。
自INTERSIL公司開發(fā)出ICL7660電壓反轉(zhuǎn)器IC后,用它來獲得負電源十分簡單,90 年代后又開發(fā)出帶穩(wěn)壓的電壓反轉(zhuǎn)電路,使負電源性能更為完善。對采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品來說,采用電荷泵變換器來獲得負電源或倍壓電源,不僅僅減少電池的數(shù)量、減少產(chǎn)品的體積、重量,并且在減少能耗(延長電池壽命)方面起到極大的作用?,F(xiàn)在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流,效率達到75%(平均值)。
電荷泵大多應(yīng)用在需要電池的系統(tǒng),如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備。便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展神速,對電荷泵變換器提出不同的要求,各半導體器件公司為滿足不同的要求開發(fā)出一系列新產(chǎn)品,本文將作一個概況介紹。
電荷泵的分類
電荷泵可分為:
· 開關(guān)式調(diào)整器升壓泵,如圖1(a)所示。
· 無調(diào)整電容式電荷泵,如圖1(b)所示。
· 可調(diào)整電容式電荷泵,如圖1(c)所示。
圖1 電荷泵的種類
電荷泵工作過程
3 種電荷泵的工作過程均為:首先貯存能量,然后以受控方式釋放能量,以獲得所需的輸出電壓。開關(guān)式調(diào)整器升壓泵采用電感器來貯存能量,而電容式電荷泵采用電容器來貯存能量。
電荷泵的結(jié)構(gòu)
電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現(xiàn)電壓提升,采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的,但需要外部電容器。由于工作于較高的頻率,因此可使用小型陶瓷電容(1mF),使空間占用小,使用成本低。
電荷泵僅用外部電容即可提供±2 倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的ESR(等效串聯(lián)電阻)和內(nèi)部開關(guān)晶體管的RDS(ON)。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感,因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它的輸出電壓是工廠生產(chǎn)精密預置的,調(diào)整能力是通過后端片上線性調(diào)整器實現(xiàn)的,因此電荷泵在設(shè)計時可按需要增加電荷泵的開關(guān)級數(shù),以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計。從電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,如圖2 所示它實際上是一個片上系統(tǒng)。
圖2 電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)
作為一個設(shè)計工程師選用電荷泵時必然會考慮以下幾個要素:
1. 轉(zhuǎn)換效率要高
無調(diào)整電容式電荷泵 90%
可調(diào)整電容式電荷泵 85%
開關(guān)式調(diào)整器 83%
2. 靜態(tài)電流要小,可以更省電;
3. 輸入電壓要低,盡可能利用電池的潛能;
4. 噪音要小,對手機的整體電路無干擾;
5. 功能集成度要高,提高單位面積的使用效率,使手機設(shè)計更小巧;
6. 足夠的輸出調(diào)整能力,電荷泵不會因工作在滿負荷狀態(tài)而發(fā)燙;
7. 封裝尺寸小是手持產(chǎn)品的普遍要求;
8. 安裝成本低,包括周邊電路占PCB 板面積小,走線少而簡單;
9.具有關(guān)閉控制端,可在長時間待機狀態(tài)下關(guān)閉電荷泵,使供電電流消耗近乎為0。
審核編輯:郭婷
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原文標題:電荷泵工作原理
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