采用無電感的DC/DC轉(zhuǎn)換器解決緊湊型產(chǎn)品的供電問題

由環(huán)境能源或小型可充電電池供電，可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備等緊湊型產(chǎn)品面臨著將更復雜的功能集成到更小型設(shè)計中的持續(xù)挑戰(zhàn)。作為這些設(shè)計的核心，穩(wěn)定的電源電壓對于確保微控制器和滿足應用要求所需的其他復雜設(shè)備的可靠運行至關(guān)重要。雖然電感器一直是電源設(shè)計的主要支柱，但工程師可以利用一類無電感的DC/DC轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器來平衡復雜功能和新興應用所需的微小解決方案的需求。

隨著整體功能，尺寸和電池壽命的增加，對于競爭激烈的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)市場中的產(chǎn)品越來越重要。對于這些產(chǎn)品，設(shè)計人員可以根據(jù)外形尺寸削減幾毫米的分數(shù)，傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器所需的外部電感器具有明顯的尺寸劣勢。同時，需要增加或反轉(zhuǎn)電源，這需要一種比傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器更復雜的解決方案。

在使用電感器和簡單線性穩(wěn)壓器的高效穩(wěn)壓器之間，電荷泵器件提供了有效的中間效應地面。雖然這些器件可能無法達到基于頂部電感的轉(zhuǎn)換器所能達到的最高效率水平，但它們確實提供了易用性，小尺寸和這些設(shè)備所沒有的堅固性能的組合。電荷泵操作不依賴于龐大的電感器，而是依賴于少量薄而廉價的陶瓷電容器。與基于電感的穩(wěn)壓器一樣，電荷泵設(shè)備有升壓，降壓和反相兩種版本，而更先進的電荷泵實際上可以實現(xiàn)接近感應解決方案的效率。

電荷泵運行

電荷泵或開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器通過對外部電容器充電和放電來提供電力。對于這些電路，通常建議使用表面貼裝多層陶瓷電容器。這些電容器體積小，成本低，與鉭電容器和鋁電解電容器相比，具有極低的等效串聯(lián)電阻。

先進的電荷泵器件具有高度的靈活性和集成的電源管理功能。然而，所有電荷泵基本上都是通過打開和關(guān)閉內(nèi)部開關(guān)來運行的（圖1）。振蕩器成對驅(qū)動開關(guān)：在前半周期，開關(guān)S1和S3閉合;在下半場，S1和S3開放，S2和S4關(guān)閉。該動作將C1的正端子連接到地并將負端子連接到VOUT，因此C1然后與儲存電容器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C2兩端的電壓達到 - （V +）。

圖1：在傳統(tǒng)的電荷泵裝置中，集成振蕩器打開和關(guān)閉內(nèi)部開關(guān)，使用快速電容C1從輸入端傳輸電荷，并在輸出端傳輸儲能電容C2上的升壓電壓。 （由Maxim Integrated提供）

用于Intersil ICL7660等原型電荷泵，這種驅(qū)動開關(guān)的簡單方法產(chǎn)生不受控制的輸出電壓，因為集成振蕩器以固定頻率工作，適用于所有負載。因此，ICL7660和其他簡單電荷泵的輸出電壓會隨著負載電流的變化而顯著變化（圖2）。

圖2：傳統(tǒng)的非穩(wěn)壓電荷泵（如Intersil ICL7660）的輸出電壓會隨著負載電流的變化而顯著變化。 （由Intersil提供）

傳統(tǒng)的單輸出固定頻率器件，如ICL7660，在低振蕩器頻率和低負載水平下可實現(xiàn)90％的效率。然而，在低頻下工作會增加開關(guān)損耗，并且在更高的頻率和增加的負載下，效率會顯著下降。最近的電荷泵設(shè)備進一步達到了過去只能從基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案中獲得的效率水平。例如，Maxim MAX860非穩(wěn)壓電荷泵IC在大部分負載電流范圍內(nèi)提供超過90％的效率。

穩(wěn)壓輸出

設(shè)計人員可以通過使用電荷泵輸出驅(qū)動一個簡單的線性穩(wěn)壓器 - 最好是低壓輸出（LDO）穩(wěn)壓器，如Maxim Integrated MAX8881?；蛘撸O(shè)計人員可以找到包含用于穩(wěn)壓輸出電壓和多種節(jié)能模式的集成功能的電荷泵。例如，Maxim Integrated MAX682在其負載電流范圍內(nèi)提供固定輸出電壓（圖3）。

圖3：Maxim Integrated MAX682等最新的電荷泵器件在更大的負載電流范圍內(nèi)提供高效率。 （由Maxim Integrated提供）

除了使用電荷泵設(shè)備常用的固定頻率開關(guān)操作外，穩(wěn)壓電荷泵還使用特殊的跳躍模式來調(diào)節(jié)輸出電壓。在Maxim MAX682等跳躍模式器件中，當檢測到輸出高于穩(wěn)壓輸出電壓（MAX682為5 V）時，集成誤差放大器會禁用開關(guān)。然后，器件跳過開關(guān)周期，直到輸出電壓下降，誤差放大器重新激活振蕩器。由于跳過模式僅激活內(nèi)部振蕩器，因此具有跳過模式的器件也可以表現(xiàn)出更低的靜態(tài)電流和更低的開關(guān)耗散 - 對于環(huán)境和電池供電的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備尤為重要。

對于許多應用而言，電池或能量收集電源的輸入電壓電平會有所不同。在這種情況下，傳統(tǒng)的電荷泵調(diào)節(jié)器可能在其理想的工作范圍之外被很好地驅(qū)動，從而降低了效率。出現(xiàn)這種情況是因為電荷泵增益是固定的，并受開關(guān)電容和片上開關(guān)數(shù)量的限制。德州儀器（TI）LM2773等器件通過集成提供多重功能所需的控制功能，滿足了對更靈活的電荷泵不斷增長的需求（圖4）。 LM2773采用穩(wěn)壓電荷泵，增益為2/3x和1x，輸入電壓范圍為2.5 V至5.5 V，適用于單節(jié)鋰離子電池。該器件可在高達300 mA的負載下產(chǎn)生可選的1.8 V或1.6 V穩(wěn)壓輸出。

圖4：電荷泵穩(wěn)壓器（如德州儀器LM2773）集成了多次操作所需的功能，可確保在寬電源電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率。 （德州儀器公司提供）

對于需要正電壓和負電壓電源的設(shè)計，工程師可以將一對簡單的電荷泵設(shè)備組合在一起，或者更好地轉(zhuǎn)向多路轉(zhuǎn)換器IC，例如Linear Technology LTC3265 。該器件采用一對電荷泵構(gòu)建，提供簡單的無電感解決方案，結(jié)合了可變輸入源的工作能力，同時提供多個輸出軌（圖5）。每個電荷泵驅(qū)動一個專用的LDO穩(wěn)壓器，能夠驅(qū)動高達50 mA的輸出電流，并使用外部電阻分壓器對輸出電壓進行編程。

圖5：對于需要多個電源軌的應用，凌力爾特公司的LTC3265集成了一對電荷泵電路，簡化了設(shè)計。 （由凌力爾特公司提供）

環(huán)境和電池供電設(shè)計通常會將其大部分工作時間用于低功耗睡眠狀態(tài)，定期喚醒樣品溫度，心率或其他相對較低的事件周期性。在這些應用中，MCU通常必須在內(nèi)部RAM中保留先前的采樣和其他狀態(tài)信息，即使MCU進入低功耗模式，也必須保持供電以保留該數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計人員經(jīng)常面臨向RAM提供電源同時關(guān)閉穩(wěn)壓電源電路中所有其他用電設(shè)備的問題。

在使用電荷泵的系統(tǒng)中，設(shè)計人員可以使用電源管理IC構(gòu)建簡單的解決方案禁用電荷泵，同時繼續(xù)維持MCU的電壓源以保持RAM。例如，設(shè)計人員可以在TI REG710等電荷泵和TI MSP430F200等MCU之間插入Texas Instruments TPS3619電池備用監(jiān)控IC（圖6）。

圖6：為了限制功耗，設(shè)計人員可以使用MCU發(fā)出的信號關(guān)閉TI REG710等電荷泵穩(wěn)壓器。當REG710輸出降至閾值以下時，TI TSP3619 PMIC可以將電源切換到電池 - 為MCU提供足夠的電源以保持RAM狀態(tài)，同時消除REG710和其他電路的功耗。 （德州儀器公司提供）

當MCU完成其處理，已存儲其數(shù)據(jù)并準備進入低功耗狀態(tài)時，它可以禁用REG710電荷泵。當REG710禁用時，輸出電壓會降低，直至低于TPS3619的內(nèi)部跳變電壓VIT。此時，TPS3619將VOUT從REG710的輸出切換到VBAT輸入 - 因此系統(tǒng)消耗的功率最小，同時MCU繼續(xù)接收足以保留RAM的電源。