集成電荷泵DC-DC轉(zhuǎn)換指南

電荷泵通常是為需要低功耗和低成本的應(yīng)用供電的最佳選擇。本應(yīng)用筆記討論了集成電荷泵，并解釋了如何計(jì)算電荷泵的功耗。

系統(tǒng)工程中一個(gè)熟悉的問題是主電源無法滿足其功率要求的子系統(tǒng)。在這種情況下，可用的電源軌不能直接使用，直接使用電池電壓（如果可用）也并不總是一個(gè)選項(xiàng)?？臻g不足可能會(huì)阻止包含最佳數(shù)量的電池，或者放電電池的電壓下降可能不適用于應(yīng)用。

電壓轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生所需的電壓電平，而電荷泵通常是需要低功耗、簡(jiǎn)單性和低成本組合的應(yīng)用的最佳選擇。電荷泵易于使用，因?yàn)樗鼈儾恍枰嘿F的電感器或額外的半導(dǎo)體。

電荷泵—概述

電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器使用陶瓷或電解電容器來存儲(chǔ)和傳輸能量。雖然電容器比其他類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用的線圈更常見且便宜得多，但電容器不能突然改變其電壓電平。不斷變化的電容電壓始終服從指數(shù)函數(shù)，這造成了電感式電壓轉(zhuǎn)換器可以避免的限制。然而，電感式電壓轉(zhuǎn)換器更昂貴。

容性電壓轉(zhuǎn)換是通過周期性切換電容器來實(shí)現(xiàn)的。無源二極管可以在最簡(jiǎn)單的情況下執(zhí)行此開關(guān)功能，前提是交流電壓可用。否則，直流電壓電平需要使用有源開關(guān)，該開關(guān)首先通過將電容器連接到電壓源上為電容器充電，然后以產(chǎn)生不同電壓電平的方式將其連接到輸出。

使用這種原理的常見集成電路是ICL7660，一些人認(rèn)為它是經(jīng)典電荷泵的原型。ICL7660 集成了開關(guān)和振蕩器，因此開關(guān) S1、S3 和 S2、S4 交替工作（圖 1）。此處顯示的配置反相輸入電壓。隨著外部連接的微小變化，它也可以使輸入電壓加倍或分頻。

圖1.這些基本組件說明了電荷泵操作的機(jī)制。

閉合 S1 和 S3 在前半個(gè)周期內(nèi)將跨接電容器 C1 充電至 V+。在下半場(chǎng)，S1和S3打開，S2和S4關(guān)閉。此操作將C1的正極端子接地，并將負(fù)極端子連接到V外.然后C1與儲(chǔ)能電容C2并聯(lián)。如果 C2 兩端的電壓小于 C1 兩端的電壓，則電荷從 C1 流向 C2，直到 C2 兩端的電壓達(dá)到 -（V+）。

集成的固定頻率振蕩器驅(qū)動(dòng)周期性開關(guān)。該電路沒有輸出調(diào)節(jié)，開關(guān)頻率在所有負(fù)載下保持恒定。因此，輸出電壓變化很大程度上取決于負(fù)載?？蛰d時(shí)，輸出電壓對(duì)應(yīng)于負(fù)輸入電壓：V外= -（V+）。隨著負(fù)載的增加，V外減少。因此，ICL7660的輸出電流被限制在約10mA。這部分是由于它的振蕩器頻率低，部分原因是其集成的模擬開關(guān)遠(yuǎn)非理想。這些處于“導(dǎo)通”狀態(tài)的開關(guān)具有幾歐姆的導(dǎo)通電阻。稍后將詳細(xì)計(jì)算所得功耗。

引腳兼容電路（MAX660、MAX860/MAX861、MAX1680/產(chǎn)品/MAX1681）具有更高的開關(guān)頻率和更低的開關(guān)導(dǎo)通電阻。由于開關(guān)頻率較高，這些電荷泵采用較小的電容器工作，并提供更高的輸出電流。所有器件均可配置為電壓逆變器、倍增器或分壓器。

MAX828/MAX829和MAX870/MAX871專為逆變器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用更小的封裝（SOT23）和更小的外部電容，減小了所需的電路板面積。這些器件的引腳兼容版本（MAX1719/MAX1720/MAX1721）提供額外的關(guān)斷引腳，用于關(guān)斷電路。在這種情況下，電源電流降至1nA，輸出與輸入斷開，輸出電壓降至零。

電容式分壓器

考慮一個(gè)設(shè)計(jì)用于將輸入電壓分頻4并將輸出電流加倍的電路。與線性穩(wěn)壓器（通常將功率轉(zhuǎn)換為熱量）相比，它具有優(yōu)勢(shì)，并且有利于需要有限輸出電流的應(yīng)用。例如，20mA至<>mA接口通常提供相對(duì)較高的輸出電壓，但預(yù)設(shè)輸出電流有限。其他應(yīng)用包括許多運(yùn)算放大器和微控制器，它們現(xiàn)在以非常低的電源電壓工作。在這些電路中，電源電壓除以<>理論上等于功耗除以<>。

圖2的配置產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)壓V。外（= V在/2）采用電容分壓器C3、C4和C5、C6。通過在分壓器的上半部分和下半部分之間交替切換跨接電容C2，IC可以平衡任何與負(fù)載相關(guān)的電壓差。該電路的開關(guān)頻率為 35kHz，靜態(tài)電流僅為 36μA。當(dāng)負(fù)載電流超過1mA時(shí)，電路的效率超過90%。然而，在負(fù)載電流非常?。吹陀?00μA）的情況下，即使是這種36mA的低靜態(tài)電流也會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率。這種開關(guān)電容配置既能提供比簡(jiǎn)單電阻分壓器更好的調(diào)節(jié)性能，又能提供比分壓器和運(yùn)算放大器緩沖器簡(jiǎn)單組合更高的效率。IC 規(guī)格限制 V在最大電壓為 5.5V。

圖2.通過所示的連接，該反相電荷泵IC將輸入電壓分頻<>。

計(jì)算電荷泵功耗

現(xiàn)在考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，其中電容器 C1 在頻率 f 時(shí)在輸出電壓和 V+ 之間切換（圖 3）。該模型可以討論電荷泵功耗。

圖3.這種開關(guān)電容器模型表明它的行為類似于電阻器。

一個(gè)儲(chǔ)能電容C2和負(fù)載R。L，連接到 V外.每個(gè)周期傳輸?shù)碾姾蔀椋?/p>

ΔQ = C1(V+ - VOUT)

它產(chǎn)生的電流I取決于頻率f：

I = fΔQ = fC1(V+ - VOUT).

根據(jù)歐姆定律改變方程后，等效電阻RERS，對(duì)于開關(guān)電容可以計(jì)算為：

RERS= 1/fC1

該公式表明，電阻和電阻損耗隨著頻率的增加和電容的增加而減小。較高的電容只會(huì)降低輸出電阻，直到開關(guān)的電阻和電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）超過R。ERS.只有選擇低ESR電容器才能降低這種內(nèi)部損耗（開關(guān)損耗）。通過使用復(fù)雜的新型電荷泵，可以降低開關(guān)導(dǎo)通電阻。

開關(guān)損耗是由跨接電容和輸出電容之間的電壓差以及開關(guān)中的導(dǎo)通電阻引起的。這種電壓差出現(xiàn)在開關(guān)上，導(dǎo)致應(yīng)用中的耗散。如前所述，開關(guān)電容器的行為類似于電阻。因此，您可以通過并聯(lián)多個(gè)開關(guān)電容器件來降低輸出電阻并增加輸出功率。

穩(wěn)壓電荷泵

調(diào)節(jié)輸出電壓的集成電荷泵無需電感器即可工作。它們提供穩(wěn)定的輸出電壓（例如 5V）和多種省電模式。MAX682穩(wěn)壓上變頻器等器件工作在高效跳頻模式或固定頻率模式，輸出紋波較小。

當(dāng)內(nèi)部比較器檢測(cè)到輸出電壓下降時(shí)，省電跳頻模式僅激活內(nèi)部振蕩器，從而避免不必要的開關(guān)。其結(jié)果是更低的靜態(tài)電流和更低的開關(guān)耗散，特別是對(duì)于輕負(fù)載。對(duì)于低功耗應(yīng)用，跳躍模式更可取，因?yàn)檩^高的靜態(tài)電流水平會(huì)降低整體效率。

為了最大限度地降低輸出紋波，該電路可以在50kHz至2MHz之間的固定頻率模式下振蕩。調(diào)節(jié)確?？缃与娙萜魍ㄟ^內(nèi)部 MOSFET 充電，充電電流取決于負(fù)載。由于功耗增加，輸出電壓降低，為電容器充電更多能量。作為固定頻率模式的優(yōu)點(diǎn)，輸出紋波更低，外部元件更小。如果電荷泵的印象是電荷泵只能提供幾毫安的低輸出電流，你會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)MAX682從250V輸出提供高達(dá)5mA的電流。

穩(wěn)壓電荷泵設(shè)計(jì)理念

用于保持恒定且與輸入電壓無關(guān)的開關(guān)頻率的改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4.該穩(wěn)壓電荷泵保持恒定的開關(guān)頻率。

IC的內(nèi)部開關(guān)頻率由流入其關(guān)斷引腳的電流控制?？刂乒饺∽云骷臄?shù)據(jù)手冊(cè)：

REXT = 45000(VIN - 0.69V)/fOSC，REXT 以 kΩ 為單位，fOSC 以 kHz 為單位

通常，在給定的輸入電壓和所需的開關(guān)頻率下計(jì)算外部關(guān)斷電阻的值。然而，在這種情況下，公式表明，關(guān)斷引腳中的開關(guān)頻率和電流取決于輸入電壓V在.如果輸入電壓變化，開關(guān)頻率也會(huì)變化。

兩個(gè)二極管將電流直流進(jìn)入關(guān)斷引腳。D1通過在電源電壓首次導(dǎo)通時(shí)將電流從輸入定向到關(guān)斷引腳來確?？煽康膯?dòng)。當(dāng)輸出電壓達(dá)到5V或上升到V以上時(shí)在，開關(guān)頻率變得恒定，因?yàn)镈2從穩(wěn)定的輸出電壓傳導(dǎo)電流。建議將微型二極管陣列采用 3 引腳 SOT23 封裝 （BAV70） 用于 D1-D2 組合。請(qǐng)注意，關(guān)機(jī)功能仍然可用。利用漏極開路 MOSFET 將關(guān)斷引腳驅(qū)動(dòng)至地，只需將預(yù)設(shè)頻率的電流短路至地。

穩(wěn)壓逆變器

許多應(yīng)用需要額外的負(fù)電壓，例如-5V。這種電壓可以通過調(diào)節(jié)電荷泵反相器（MAX868）和一些外部元件（圖5）產(chǎn)生。充電時(shí)，左側(cè)開關(guān)關(guān)閉，右側(cè)開關(guān)打開。兩個(gè)跨接電容器并聯(lián)充電，負(fù)載完全由存儲(chǔ)在輸出電容器中的電荷提供服務(wù)。在放電期間，開關(guān)重新配置以串聯(lián)連接跨接電容器。當(dāng)連接到輸出電容器時(shí)，它們會(huì)根據(jù)需要傳輸電荷以保持輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖5.內(nèi)部元件說明了該穩(wěn)壓電荷泵反相器（MAX868）的工作原理。

內(nèi)部振蕩器頻率 （450kHz） 足夠高，以確保小型外部電容器和高輸出電流。振蕩器由比較器控制，僅當(dāng)輸出電壓低于其閾值時(shí)，振蕩器才會(huì)激活。該調(diào)節(jié)使電路能夠提供高達(dá)-2V的恒定輸出電壓在.同時(shí)，該電路在輕負(fù)載時(shí)消耗的靜態(tài)電流最小。

降壓/升壓組合

電池供電應(yīng)用中常見的另一個(gè)問題是電池電壓高于和低于調(diào)節(jié)輸出電壓。Li+電池在充電前的使用壽命期間，輸出電壓在3.6V至1.5V之間變化。為了從這種變化的輸入中獲得恒定的3.3V電壓，需要一個(gè)組合式降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。最初，該器件將整個(gè)電池電壓（3.6V）下變頻至3.3V。當(dāng)電池電壓降至3.3V以下時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器功能保證穩(wěn)定的3.3V輸出電壓。

雖然這種方法通常很復(fù)雜，但現(xiàn)在可以通過簡(jiǎn)單的電荷泵IC實(shí)現(xiàn)，如MAX1759。MAX1工作在6.5V至5.1759V輸入電壓，產(chǎn)生固定（3.3V）或可調(diào)（2.5V至5.5V）輸出，輸出電流高達(dá)100mA。該 IC 采用 10 引腳 μMAX? 封裝，采用 1 個(gè)外部電容器工作。一個(gè)額外的停機(jī)模式將輸出與輸入斷開，同時(shí)將靜態(tài)電流降低至 <>μA。

電荷泵概述

表1和表2列出了Maxim提供的一些穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓電荷泵，包括具有特殊功能的電荷泵以及文中提到的所有電荷泵。這些表格使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)應(yīng)用所需的封裝、功能和輸出電流規(guī)格選擇合適的電荷泵。

審核編輯：郭婷