電荷泵在便攜式設(shè)計(jì)中大放異彩

新一代IC與無源元件改進(jìn)相結(jié)合，使電荷泵電壓轉(zhuǎn)換成為許多應(yīng)用中的青睞方法。在許多情況下，早期的電荷泵被認(rèn)為不合適或只能接受妥協(xié)。例如，具有寬松精度、低負(fù)載電流、高噪聲容限和最低效率需求的應(yīng)用可以從電荷泵的低成本、更小的尺寸、更簡單的電路以及（當(dāng)然）無電感操作中受益。

當(dāng)今的電荷泵IC滿足便攜式系統(tǒng)的苛刻要求，具有更高的精度、更高的輸出電流、敏感RF應(yīng)用可接受的輸出噪聲水平，以及與某些基于電感器的設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)碾姵貕勖Ｒ韵掠懻摫容^了幾種IC電荷泵設(shè)計(jì)，介紹了“無電感”電源應(yīng)用，并提供了元件選擇指南。

簡短的入門

術(shù)語“電荷泵”是指使用電容器而不是電感器或變壓器來存儲和傳輸能量的一種DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器。電荷泵（通常稱為開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器）包括對一個或多個電容進(jìn)行充電和放電的開關(guān)或二極管網(wǎng)絡(luò)。電荷泵電路最引人注目的優(yōu)點(diǎn)是沒有電感。

為什么要避免使用電感器？與電容器相比，它們的采購來源更少，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和尺寸更少，元件高度更高，EMI更高，布局靈敏度更高，成本更高。（否則，它們很棒。新一代電荷泵IC即使使用通常用于旁路電源的低成本陶瓷電容器也能提供令人滿意的操作。

基本電荷泵可以在帶有模擬開關(guān)的IC中實(shí)現(xiàn)，也可以在帶有二極管的分立元件電路中實(shí)現(xiàn)（圖1）。在IC版本中，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在充電和放電狀態(tài)之間切換，在分立版本中，時鐘波形通過二極管驅(qū)動充電和放電狀態(tài)。在這兩種情況下，“跨接電容器”（C1）穿梭電荷，“儲能電容器”（C2）保持電荷并濾除輸出電壓。您可以根據(jù)需要擴(kuò)展和修改此方案，以增加調(diào)節(jié)、降低噪聲、獲得更高的輸出電壓等。

圖1.基本電荷泵提供電壓倍增或反轉(zhuǎn)。它可以通過片上開關(guān) （a） 或分立二極管 （b） 來實(shí)現(xiàn)。

雖然電荷泵通常用作小型電路模塊或接口IC等單個組件的電源，但它們尚未被廣泛用作系統(tǒng)電源。然而，這種用途正在發(fā)生變化：電荷泵的輸出電流能力在增加，而便攜式設(shè)計(jì)所需的電源電流在下降。例如，在圖2中，IC1電荷泵由AA或AAA堿性電池、NiCd或NiMH電池或單節(jié)一次鋰電池供電時，可在100.3V時產(chǎn)生3mA電流。

圖2.這款具有線性穩(wěn)壓器的電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器采用兩節(jié)電池輸入提供 200mA/3.3V 電流，采用 2 節(jié)電池輸入提供 150mA 電流/5V 電流。

圖2電路在輸入電壓低至2.2V時可保持3.3V輸出。對于≥2.4V的輸入，它可以提供超過200mA的短期負(fù)載。對于輸入低至 3V 的 5V 系統(tǒng)，類似的設(shè)計(jì)加上 5V 線性穩(wěn)壓器在由 3 節(jié)堿性電池、NiCd 或 NiMH 電池或一塊可充電鋰電池供電時可提供 150mA 電流。當(dāng)電池電壓較高時，兩個電路的效率從近80%（低VIN）到略高于50%（兩節(jié)電池為3.2V，三節(jié)電池為4.8V）不等。

內(nèi)部調(diào)節(jié)電荷泵

圖2電路通過在外部增加一個穩(wěn)壓器，克服了電荷泵缺乏穩(wěn)壓的問題。如果負(fù)載電流適中，另一種選擇是在芯片上增加調(diào)節(jié)。單片芯片中的調(diào)節(jié)通常通過線性調(diào)節(jié)或電荷泵調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。線性調(diào)節(jié)提供最低的輸出噪聲，因此在（例如）用于RF放大器的GaAsFET偏置電路中提供更好的性能。電荷泵調(diào)制（控制開關(guān)電阻）為給定的芯片尺寸（或成本）提供更多的輸出電流，因?yàn)镮C不需要包括串聯(lián)調(diào)整管。

圖3所示電路在主電源和后備電源中都很有用。它產(chǎn)生一個穩(wěn)定的 5V 輸出，負(fù)載電流為 20mA，輸入范圍為 1.8V 至 3.6V。對于不低于3V的輸入電壓，輸出電流可以達(dá)到50mA。轉(zhuǎn)換效率（圖4）接近等效的低成本電感電路。注意輸入電壓的變化：效率在VIN = 3V附近表現(xiàn)出階躍變化，其中電荷泵在其電壓三倍器和倍壓器工作模式之間自動切換。對于倍頻或三倍操作的每個“區(qū)域”，效率最高，最低VIN值。在每個區(qū)域內(nèi)，效率隨著VIN損耗的增加而降低：

Power lost = IOUT x [(2 or 3)VIN - VOUT].

圖3電路無需線性調(diào)整元件即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，但其損耗與饋入線性穩(wěn)壓器的未穩(wěn)壓倍頻器或三倍頻器相同！這一令人驚訝的結(jié)果是，每當(dāng)泵浦電容器在一個開關(guān)周期內(nèi)改變電壓時，就會發(fā)生不可避免的損耗。考慮兩個1μF電容，一個充電至1V，一個充電至0V。它們的總儲存能量為：

1/2CV2= 1/1（<>μF）（<>V2） + 1/0（<>μF）（<>V2） = 0.5μ庫侖。

并聯(lián)連接它們可將每個充電至 0.5V，因此新的總數(shù)為：

1/0（5μF）（<>.<>V2） + 1/0（5μF）（<>.<>V2） = 0.25μ庫侖。

因此，從1V到0.5V（50%）的能量損失與固定V的預(yù)期能量相同外倍頻器或三倍器，后接線性穩(wěn)壓器。在圖3中，通過在倍頻和三倍操作之間自動切換來優(yōu)化效率，從而最大限度地減少ΔV變化。

圖3.該IC包含一個具有輸出調(diào)節(jié)功能的多開關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器。電路雙倍或三倍 V在以最大限度地提高效率。開關(guān)控制信息被反饋以保持輸出調(diào)節(jié)。

圖4.效率/V 的不連續(xù)性外圖3中的曲線出現(xiàn)在內(nèi)部電荷泵在電壓倍增和三倍之間切換時。

工作電流

許多基于電容器的電壓轉(zhuǎn)換器提供極低的工作電流，這在負(fù)載電流通常較低或大部分時間都很低的系統(tǒng)中非常有用。因此，對于較小的手持產(chǎn)品，在確定電池壽命時，輕負(fù)載工作電流可能比滿載效率重要得多。在此類產(chǎn)品中，“關(guān)斷”狀態(tài)并非完全關(guān)斷，而是掛起或休眠狀態(tài)，其中所需的電源電流（例如μP和存儲器）可能為100μA或更低。如果電源本身消耗相當(dāng)?shù)碾娏?，則電池壽命會直接影響。

電荷泵IC的電源電流通常與其工作頻率成正比。您可以通過以盡可能低的頻率運(yùn)行來最小化電流消耗，但代價（對于較舊的電荷泵 IC）是更高的紋波電壓，更少的 I外能力，以及對更大價值的泵浦電容器的需求。一些IC提供引腳可設(shè)置的工作頻率，以幫助進(jìn)行這種權(quán)衡。

較新的電荷泵IC采用另一種技術(shù)（按需開關(guān)），可實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流和高I。外同時的能力。因此，圖3系統(tǒng)集成了按需電路，可將空載電源電流降至75μA （典型值）。

雖然圖3的滿載效率（如圖4所示）低于大多數(shù)基于電感的設(shè)計(jì)，但其極低的工作電流可能會延長電池壽命。工作電流對電池壽命的影響取決于在掛起或睡眠狀態(tài)下花費(fèi)的工作時間比例。例如，圖619所示的MAX3包括一個按需振蕩器，僅在輸出電壓低于5V時工作。由此產(chǎn)生的空載靜態(tài)電流僅為 75μA，該器件使用 50.0μA 泵浦電容器提供高達(dá) 22mA 的輸出電流。在為鋰紐扣電池產(chǎn)生備用電壓時，低工作電流也很重要。

閃存

非常適合電荷泵轉(zhuǎn)換的應(yīng)用是為閃存芯片生成編程電壓。電荷泵方法為信用卡大小的產(chǎn)品提供了近乎理想的解決方案，其中元件高度受到嚴(yán)格限制，特別是如果它減少了電解電容器的數(shù)量或完全消除了電解電容器的數(shù)量。為此設(shè)計(jì)的IC（圖5）提供12V“V聚丙烯“電壓適合對閃存的 2 字節(jié)字進(jìn)行編程。另一個IC（前面提到的MAX619）提供5V V聚丙烯適用于 5V 閃存設(shè)備。

圖5.該 IC 產(chǎn)生 V聚丙烯12V 閃存 （12V） 所需的編程電壓。V外針對 30mA 負(fù)載進(jìn)行完全穩(wěn)壓。

與其他類型的電壓轉(zhuǎn)換器相比，電荷泵可以在處理低電平信號或需要低噪聲操作的應(yīng)用中提供卓越的性能。在某些情況下，電荷泵現(xiàn)在允許在唯一可行的解決方案是線性穩(wěn)壓器的應(yīng)用中進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。請注意，這些優(yōu)勢并不適用于所有電荷泵。與基于電感的電路相比，一些缺點(diǎn)也變得明顯。

最直接的優(yōu)點(diǎn)是消除了電感器或變壓器附帶的磁場和EMI。一個EMI源保留在電荷泵電路中，即當(dāng)它連接到輸入源或另一個具有不同電壓的電容器時流向“跨接電容器”的高充電電流。瞬時電流僅受相關(guān)電容ESR和開關(guān)電阻的限制，可低至5Ω。除非電荷泵專為低噪聲工作而定制，否則這些高ΔI/Δt事件產(chǎn)生的噪聲只能通過后置濾波或大電容來消除。

低噪聲電荷泵轉(zhuǎn)換器的一個例子是MAX850（圖6）。該器件設(shè)計(jì)用于為 GaAsFET RF 功率放大器產(chǎn)生非常安靜的負(fù)偏置電壓，將反相電荷泵與低噪聲負(fù)輸出線性穩(wěn)壓器相結(jié)合。MAX850工作在5VDC，具有高開關(guān)頻率（100kHz），允許使用小值外部電容。片內(nèi)穩(wěn)壓器將輸出紋波和噪聲降至僅 2mVP-P.對于開關(guān)電源來說，這種噪聲（圖7）非常低。

圖6.該GaAsFET偏置電源包含一個線性穩(wěn)壓器，可將輸出噪聲限制在2mVP-P.

圖7.圖6電路的噪聲圖顯示低于2mV的噪聲P-P.

在高電流應(yīng)用中采用的類似方法為高容量（2G字節(jié)及以上）硬盤驅(qū)動器中的磁阻讀寫磁頭提供低噪聲偏置。此類驅(qū)動器通常需要-3V（100mA），輸出噪聲和紋波不超過10mVP-P。泵輸出的開關(guān)瞬變再次排除了與 MR 頭前置放大器的直接連接，但您可以插入一個由三個晶體管構(gòu)成的廉價且可維修的線性穩(wěn)壓器（圖 8）。這種安排足以滿足大多數(shù)用途。然而，其輸出精度取決于 V在公差，因?yàn)椋楹唵纹鹨姡￢在作為監(jiān)管機(jī)構(gòu)的參考。輸出紋波和噪聲約為5mVP-P。

圖8.廉價但可維護(hù)的三晶體管電路為電荷泵IC增加了一個穩(wěn)定的100mA、-3V輸出。

電容器選擇

與電荷泵設(shè)計(jì)相關(guān)的信息有時難以捉摸的是特定負(fù)載電流所需的最小電容值。對于大多數(shù)電荷泵IC，數(shù)據(jù)手冊建議僅使用一個或兩個電容值，但（通常）芯片可以在很寬的范圍內(nèi)工作，尤其是在負(fù)載電流較低時。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)指定提供可接受的輸出電壓、電流和紋波水平的最小電容值。這些量取決于開關(guān)頻率和開關(guān)電阻以及電容。

電容值對紋波和輸出電流的影響如圖9所示的1張圖表所示（表660進(jìn)行了總結(jié)）。每張圖表包括五條曲線，補(bǔ)充了Maxim的三種常見電荷泵DC-DC轉(zhuǎn)換器（MAX860、MAX861和MAX<>）的數(shù)據(jù)資料信息：

MAX660，高頻模式（FC = V+），約40kHz

MAX860，高頻模式（FC = OUT），約100kHz

MAX860，中頻模式（FC = GND），約40kHz

MAX861，高頻模式（FC = OUT），約200kHz

MAX861，中頻模式（FC = GND），約90kHz

這些圖表表明，小型陶瓷電容器通常可以支持較低的負(fù)載電流。不斷發(fā)展的陶瓷電容器技術(shù)正在以更低的成本產(chǎn)生更高的價值，因此您現(xiàn)在可以從聯(lián)合化學(xué)（前身為Marcon）、Tokin、TDK和Murata Erie等制造商處以10.0美元的批量價格獲得30μF的陶瓷電容器。

圖9中每條曲線的頻率略低于數(shù)據(jù)手冊中的典型頻率，因?yàn)閂在在低側(cè)指定：4.5V = 5V - 10%，3.0V = 3.3V - 10%。一些圖表顯示 2.0μF 時的電流高于 2.2μF 時的電流。這是因?yàn)?1μF 和 2μF 值是陶瓷芯片（帶 Z5U 電介質(zhì)），而 2.2μF 以上的值是鉭類型（AVX TPS 系列）。通過加載輸出直到V來收集電流和紋波數(shù)據(jù)外達(dá)到表1所示值。（在較高的電容值下，紋波改善可以忽略不計(jì)。V外在較低的負(fù)載電流下較高，但 -（V外） 永遠(yuǎn)不會超過 V在.

圖9.這些圖表（A-H）顯示了電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率、電容值、工作電流和輸出電壓之間的關(guān)系。對于給定負(fù)載，數(shù)據(jù)可以選擇最小電容值和工作電流。

表 1.圖 9 中的圖形摘要

電荷泵技巧

當(dāng)然，集成電荷泵的功率轉(zhuǎn)換早于為此目的使用分立電容器。電荷泵技術(shù)已在50Hz/60Hz交流線路電源中使用多年，也用于高壓乘法器以實(shí)現(xiàn)幾kV的輸出。CMOS模擬開關(guān)的使用使得只需很少的部件即可集成復(fù)雜的功能。另一個優(yōu)點(diǎn)是，CMOS開關(guān)在低電流時表現(xiàn)出虛擬零壓降，而二極管開關(guān)上的最小壓降為0.6V。但是，在某些情況下，增加分立元件可以提高性能，即使在采用最新電荷泵IC的應(yīng)用中也是如此。

通過增強(qiáng)雙輸出電荷泵IC和由分立二極管組成的額外升壓級，可以制造出5V至±20V的低功耗轉(zhuǎn)換器。此類電源可用于CCD電源、LCD偏置和變?nèi)荻O管調(diào)諧器。MAX864本身可以從10V輸入產(chǎn)生±5V （減去負(fù)載比例損耗），或從6.6V輸入產(chǎn)生±3.3V。使用額外的二極管電容級（圖 10），這些輸出可以再次加倍至大約 ±4V在，或乘以 1.5 至約 ±3V在.請注意，外部二極管/電容網(wǎng)絡(luò)連接到C1以獲得±15V輸出，或連接到C2以獲得±20V輸出。

圖 10.通過使用外部二極管和電容器增強(qiáng)電路，可以從許多電荷泵IC獲得更高的輸出電壓。這些電路可提供高達(dá) ±20V 的電壓。

圖11顯示了圖10中每個電路的輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系，同時使用硅二極管（成本最低）和肖特基二極管（輸出最高）。這些電路可提供高達(dá) 20mA 的電流，而 1μF 濾波電容器產(chǎn)生的輸出紋波小于 100mV。如果需要，您可以使用稍大的電容器來大幅降低該電平。圖10中的IC設(shè)置為100kHz工作頻率，允許使用1μF電容，從而產(chǎn)生7mA的空載電源電流。您可以對較低頻率進(jìn)行引腳編程，將電源電流降至600μA，但要實(shí)現(xiàn)圖11所示的輸出電流，您需要更大的10μF電容。

圖 11.這些圖表顯示 V外與我外圖10中的兩個電路。

通常，單級電荷泵轉(zhuǎn)換器不能產(chǎn)生大于其正輸入電壓的負(fù)輸出。要從8.2V至5.5V輸入實(shí)現(xiàn)-5V或更高的負(fù)輸出，請?zhí)砑臃至⒍O管，如圖12所示。峰峰值噪聲與圖7所示相同，給定穩(wěn)壓輸出電壓的可用輸出電流如圖13所示為<>個分立輸入電壓。

圖 12.該低噪聲穩(wěn)壓電荷泵外部的二極管電容網(wǎng)絡(luò)將最小輸入電壓從4.5V降至2.5V。

圖 13.這些曲線顯示 I外與受監(jiān)管的 V外圖12電路。

為了避免需要為低功耗計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備提供電池或線路電壓，您可以從串行端口抽取幾毫瓦。常見的PC鼠標(biāo)和其他此類設(shè)計(jì)依賴于調(diào)制解調(diào)器控制信號DTR和RTS，但圖14所示電路從3線端口的TX線獲取電源。其輸出能力（8mA）足以滿足CMOS微控制器和一些支持電子設(shè)備的需求。TX線在負(fù)電壓下空閑，因此IC的正常輸入極性反轉(zhuǎn)（施加在OUT引腳和地之間的負(fù)輸入電壓使IC能夠從其正常方向向后泵浦）。齊納二極管D1為4.7V輸出提供并聯(lián)調(diào)節(jié)。

圖 14.該電荷泵工作在倍壓器模式，將負(fù)輸入電壓（來自RS-232端口的TX線路）轉(zhuǎn)換為5mA的半穩(wěn)壓8V輸出。

電荷泵IC可以幫助縮小便攜式系統(tǒng)中的電源，因此監(jiān)控制造商不斷推出的新技術(shù)和新IC設(shè)計(jì)是值得的。例如，Maxim提供各種電荷泵IC，如表2-4所示。

表 2.單輸出電荷泵

表 3.穩(wěn)壓電荷泵

表 4.多輸出電荷泵

審核編輯：郭婷