電荷泵簡述

1、定義:也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的"快速"(flying)或"泵送"電容(而非電感或變壓器)來儲能的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)生負電壓。其內(nèi)部的FET開關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)制過程可以保證高達80%的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的輸出紋波和EMI(電磁干擾)。

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

DC-DC:直流-直流轉(zhuǎn)換模塊

2.1 電荷泵分類

電荷泵可分為:

--開關式調(diào)整器升壓泵

--無調(diào)整電容式電荷泵

--可調(diào)整電容式電荷泵

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。

電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、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。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。其損耗主要來自電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)和內(nèi)部開關晶體管的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)時精密預置的,可通過后端片上線性調(diào)整器調(diào)整，因此電荷泵在設計時可按需要增加電荷泵的開關級數(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用產(chǎn)品的設計，是一個基準、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)負電源，給LCD供電。

在過去的十年了,電荷泵得到了廣泛運用,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250mA的電流,效率達到75%(平均值)。電荷泵大多應用在需要電池的系統(tǒng),如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統(tǒng)和便攜式電子設備。

主要應用包括驅(qū)動用于手機背光的白光LED和毫瓦范圍的數(shù)字處理器。

電荷泵(開關電容)IC通過利用一個開關網(wǎng)絡給兩個或兩個以上的電容供電或斷電來進行DC/DC電壓轉(zhuǎn)換?；倦姾杀瞄_關網(wǎng)絡不斷在給電容器供電和斷電這兩個狀態(tài)之間切換。C1(充電電容)傳輸電荷,而C2(充電電容器)則儲存電荷并過濾輸出電壓。

額外的"快速電容"和開關陣列帶來多種好處。

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)變成一個負輸出。作為分路器使用時,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,它可以給I/O帶來一個1.5X或者2X的增益。很多便攜式系統(tǒng)都是用一個單鋰離子電池或者兩個金屬氫化物鎳電池。因此當在2X模式下運行時,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供應適當?shù)恼螂妷骸?/p>

基本電荷泵缺少調(diào)整電路,因此實際上所有當今使用的電荷泵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沒有串聯(lián)傳輸晶體管,控制開關電阻的電荷泵調(diào)制就可以提供更高的效率,并為一個給定的芯片面積(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和電磁干擾。但是,仍然有一個可能的微小噪音源,那就是當快速電容和一個輸入源或者另外一個帶不同電壓的電容器相連時,流向它的高充電電流。同樣的,"分路器"電荷泵也能在LDO上改進效率,但又不會像感應降壓調(diào)整器那樣復雜。

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的模式下都可以運行。當電池的輸入電壓較低時,電荷泵可以產(chǎn)生一個相當于輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當電池的電壓較高時,電荷泵則在1X模式下運行,此時負載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸?shù)截撦d中。這樣就在輸入電壓較高的時候降低了輸入電流和功率損耗。

增加開關頻率也就增加了IC的靜態(tài)電流,但是也同時降低了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。高頻率操作簡化了過濾,從而進一步降低了傳導噪音。

要實現(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,來將輸出波紋和輸出電阻最小化,并達到最高的效率。陶瓷電容器就可以做到這一點,但是某些鉭電容器可能要比較合適一點。

軟啟動可以在啟動時阻止在VIN出產(chǎn)生過多的電流流量,從而增加了可定期用于輸出電荷儲存電容器的電流量。軟啟動一般在設備被關機時激活,并在設備獲得調(diào)整之后立刻屏蔽。

通過運用脈沖頻率調(diào)制,IC只有在當電荷必須傳輸出去來保持輸出調(diào)節(jié)的時候才產(chǎn)生電荷。當輸出電壓高于目標調(diào)節(jié)電壓時,IC是閑置的,此時消耗的電流最小,因為儲存在輸出電容器上的電荷會提供負載電流。而隨著這個電容器不斷放電以及輸出電壓逐漸降到目標調(diào)節(jié)電壓一下,電荷泵才會激活并向輸出傳輸電荷。這個電荷供給負載電流,并增加輸出電容器上的電壓。

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

電荷泵是通過外部一個快速充電電容(Flying Capacitor)，內(nèi)部以一定的頻率進行開關，對電容進行充電，并且和輸入電壓一起，進行升壓(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，與基準電壓VREF做比較，經(jīng)過誤差放大器A，來控制充電電容的充電時間和充電電壓，從而達到穩(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的模式下都可以運行。當電池的輸入電壓較低時，電荷泵可以產(chǎn)生一個相當于輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當電池的電壓較高時，電荷泵則在1X模式下運行，此時負載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸?shù)截撦d中。這樣就在輸入電壓較高的時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)換分兩個階段完成。

第一階段

在第一階段， C1和C2串聯(lián)。假設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。

在我們的設計中，電荷泵經(jīng)常被用作白光LED驅(qū)動，一般在手機中應用于并聯(lián)LCD背光驅(qū)動芯片。而串聯(lián)背光驅(qū)動芯片則應選擇電感式的DC/DC，因為它對電壓要求較高。

選用電荷泵時考慮以下幾個要素:

· 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，對手機的整體電路無干擾;

· 功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機設計的更小巧;

· 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;

· 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，走線少而簡單;

· 具有關閉控制端，可在長時間待機狀態(tài)下關閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。