電荷泵

2.1 電荷泵分類

電荷泵可分為:

--開關(guān)式調(diào)整器升壓泵

--無(wú)調(diào)整電容式電荷泵

--可調(diào)整電容式電荷泵

在過(guò)去的十年了,電荷泵得到了廣泛運(yùn)用,從未調(diào)整單輸出IC到帶多輸出電壓的調(diào)整IC。輸出功率和效率也得到了發(fā)展,因此現(xiàn)在的電荷泵可以輸出高達(dá)250mA的電流,效率達(dá)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(jī)、藍(lán)牙系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備。

主要應(yīng)用包括驅(qū)動(dòng)用于手機(jī)背光的白光LED和毫瓦范圍的數(shù)字處理器。

電荷泵(開關(guān)電容)IC通過(guò)利用一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)給兩個(gè)或兩個(gè)以上的電容供電或斷電來(lái)進(jìn)行DC/DC電壓轉(zhuǎn)換?；倦姾杀瞄_關(guān)網(wǎng)絡(luò)不斷在給電容器供電和斷電這兩個(gè)狀態(tài)之間切換。C1(充電電容)傳輸電荷,而C2(充電電容器)則儲(chǔ)存電荷并過(guò)濾輸出電壓。

額外的"快速電容"和開關(guān)陣列帶來(lái)多種好處。

電荷泵IC可以用作逆變器、分路器或者增壓器。逆變器將輸入電壓轉(zhuǎn)變成一個(gè)負(fù)輸出。作為分路器使用時(shí),輸出電壓是輸出電壓的一部分,例如1/2或2/3。作為增壓器時(shí),它可以給I/O帶來(lái)一個(gè)1.5X或者2X的增益。很多便攜式系統(tǒng)都是用一個(gè)單鋰離子電池或者兩個(gè)金屬氫化物鎳電池。因此當(dāng)在2X模式下運(yùn)行時(shí),電荷泵可以給一般在3.3V到4.0V的范圍內(nèi)工作的白光LED供應(yīng)適當(dāng)?shù)恼螂妷骸?/p>

基本電荷泵缺少調(diào)整電路,因此實(shí)際上所有當(dāng)今使用的電荷泵IC都增加線性調(diào)整或者電荷泵調(diào)制。線性調(diào)整的輸出噪音最低,并可以在更低的效率情況下提供更好的性能。而由于調(diào)整IC沒(méi)有串聯(lián)傳輸晶體管,控制開關(guān)電阻的電荷泵調(diào)制就可以提供更高的效率,并為一個(gè)給定的芯片面積(或消耗)提供更多的輸出電流。

電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場(chǎng)和電磁干擾。但是,仍然有一個(gè)可能的微小噪音源,那就是當(dāng)快速電容和一個(gè)輸入源或者另外一個(gè)帶不同電壓的電容器相連時(shí),流向它的高充電電流。同樣的,"分路器"電荷泵也能在LDO上改進(jìn)效率,但又不會(huì)像感應(yīng)降壓調(diào)整器那樣復(fù)雜。

電荷泵可以依據(jù)電池電壓輸入不斷改變其輸出電壓。例如,它在1.5X或1X的模式下都可以運(yùn)行。當(dāng)電池的輸入電壓較低時(shí),電荷泵可以產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)于輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當(dāng)電池的電壓較高時(shí),電荷泵則在1X模式下運(yùn)行,此時(shí)負(fù)載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸?shù)截?fù)載中。這樣就在輸入電壓較高的時(shí)候降低了輸入電流和功率損耗。

增加開關(guān)頻率也就增加了IC的靜態(tài)電流,但是也同時(shí)降低了C1和C2的電容值。常態(tài)頻率結(jié)構(gòu)提供低噪音調(diào)整輸出電壓,同時(shí)其輸入噪音也比傳統(tǒng)的電荷泵調(diào)節(jié)器要低。高頻率操作簡(jiǎn)化了過(guò)濾,從而進(jìn)一步降低了傳導(dǎo)噪音。

要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能,就要采用帶低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器。低ESR電容器須用在IC的輸出上,來(lái)將輸出波紋和輸出電阻最小化,并達(dá)到最高的效率。陶瓷電容器就可以做到這一點(diǎn),但是某些鉭電容器可能要比較合適一點(diǎn)。

軟啟動(dòng)可以在啟動(dòng)時(shí)阻止在VIN出產(chǎn)生過(guò)多的電流流量,從而增加了可定期用于輸出電荷儲(chǔ)存電容器的電流量。軟啟動(dòng)一般在設(shè)備被關(guān)機(jī)時(shí)激活,并在設(shè)備獲得調(diào)整之后立刻屏蔽。

通過(guò)運(yùn)用脈沖頻率調(diào)制,IC只有在當(dāng)電荷必須傳輸出去來(lái)保持輸出調(diào)節(jié)的時(shí)候才產(chǎn)生電荷。當(dāng)輸出電壓高于目標(biāo)調(diào)節(jié)電壓時(shí),IC是閑置的,此時(shí)消耗的電流最小,因?yàn)閮?chǔ)存在輸出電容器上的電荷會(huì)提供負(fù)載電流。而隨著這個(gè)電容器不斷放電以及輸出電壓逐漸降到目標(biāo)調(diào)節(jié)電壓一下,電荷泵才會(huì)激活并向輸出傳輸電荷。這個(gè)電荷供給負(fù)載電流,并增加輸出電容器上的電壓。

1、定義:也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的"快速"(flying)或"泵送"電容(而非電感或變壓器)來(lái)儲(chǔ)能的DC-DC(變換器)。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負(fù)電壓。其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)(0.5,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調(diào)制過(guò)程可以保證高達(dá)80%的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關(guān)工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的輸出紋波和EMI(電磁干擾)。

e.g:通過(guò)控制內(nèi)部三極管的gate來(lái)控制電容充放電,比如升1.5倍，輸出為Vin加上電容兩端的0.5Vin達(dá)到Vout=1.5Vin

DC-DC:直流-直流轉(zhuǎn)換模塊

3種電荷泵的工作過(guò)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(lái)貯存能量，而電容式電荷泵采用電容器來(lái)貯存能量。

電容式電荷泵通過(guò)開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升，采用電容器來(lái)貯存能量。因工作于較高頻率，可使用小型陶瓷電容器(1μF)，占用空間最小，使用成本較低。電荷泵僅用外部電容器即可提供±2倍的輸出電壓。其損耗主要來(lái)自電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)和內(nèi)部開關(guān)晶體管的RDS(ON)。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感器，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容器濾除。它的輸出電壓是工廠生產(chǎn)時(shí)精密預(yù)置的,可通過(guò)后端片上線性調(diào)整器調(diào)整，因此電荷泵在設(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開關(guān)級(jí)數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動(dòng)空間。電荷泵十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，是一個(gè)基準(zhǔn)、比較、轉(zhuǎn)換和控制電路組成的系統(tǒng)。

在DCDC電源后，2倍升壓與翻轉(zhuǎn)負(fù)電源，給LCD供電。

電荷泵為容性儲(chǔ)能DC-DC產(chǎn)品，可以進(jìn)行升壓，也可以作為降壓使用，還可以進(jìn)行反壓輸出。電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場(chǎng)和電磁干擾。

電荷泵是通過(guò)外部一個(gè)快速充電電容(Flying Capacitor)，內(nèi)部以一定的頻率進(jìn)行開關(guān)，對(duì)電容進(jìn)行充電，并且和輸入電壓一起，進(jìn)行升壓(或者降壓)轉(zhuǎn)換。最后以恒壓輸出。

在芯片內(nèi)部有負(fù)反饋電路，以保證輸出電壓的穩(wěn)定，如上圖Vout ，經(jīng)R1,R2分壓得到電壓V2，與基準(zhǔn)電壓VREF做比較，經(jīng)過(guò)誤差放大器A，來(lái)控制充電電容的充電時(shí)間和充電電壓，從而達(dá)到穩(wěn)定值。

電荷泵可以依據(jù)電池電壓輸入不斷改變其輸出電壓。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以運(yùn)行。當(dāng)電池的輸入電壓較低時(shí)，電荷泵可以產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)于輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當(dāng)電池的電壓較高時(shí)，電荷泵則在1X模式下運(yùn)行，此時(shí)負(fù)載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸?shù)截?fù)載中。這樣就在輸入電壓較高的時(shí)候降低了輸入電流和功率損耗。

以1.5x mode為例講解:電壓轉(zhuǎn)換分兩個(gè)階段完成。

第一階段

在第一階段， C1和C2串聯(lián)。假設(shè)C1=C2，則電容充電直到電容電壓等于輸入電壓的一半

VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VIN/2

第二階段

在第二階段，C1和C2并聯(lián)，連接在VIN和VOUT之間。

VOUT=VIN+VIN/2=1.5VIN

電荷泵的效率是根據(jù)電荷泵的升壓模式，輸入電壓和輸出電壓所決定，如果是以2倍壓模式進(jìn)行升壓，那么它的效率為Vout/2Vin。輸入電壓越小，效率越高。

在我們的設(shè)計(jì)中，電荷泵經(jīng)常被用作白光LED驅(qū)動(dòng)，一般在手機(jī)中應(yīng)用于并聯(lián)LCD背光驅(qū)動(dòng)芯片。而串聯(lián)背光驅(qū)動(dòng)芯片則應(yīng)選擇電感式的DC/DC，因?yàn)樗鼘?duì)電壓要求較高。

選用電荷泵時(shí)考慮以下幾個(gè)要素:

· 轉(zhuǎn)換效率要高

· 靜態(tài)電流要小，可以更省電;

· 輸入電壓要低，盡可能利用電池的潛能;

· 噪音要小，對(duì)手機(jī)的整體電路無(wú)干擾;

· 功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機(jī)設(shè)計(jì)的更小巧;

· 足夠的輸出調(diào)整能力，電荷泵不會(huì)因工作在滿負(fù)荷狀態(tài)而發(fā)燙;

· 封裝尺寸小是手持產(chǎn)品普遍要求;成本低，包括周邊電路少占PCB板面積小，走線少而簡(jiǎn)單;

· 具有關(guān)閉控制端，可在長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。