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电荷泵式开关电源的基本电路,电荷泵升压电路

张世龙 05-13 09:20 39次浏览

电荷泵工作原理及常用电路来源:网络作者:排名•2012年10月23日16:15•3225次

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电荷泵电压反相器是DC/DC转换器,将输入的正电压转换为对应的负电压,即VOUT=-VIN。 此外,还可以将输出电压转换为接近2倍的输入电压,即VOUT2VIN。 由于由利用电容器充电、放电实现电荷移动的原理构成,这种电压反转电路也被称为电荷泵转换器(Charge Pump Converter )。

电荷泵的应用

电荷泵变换器常用于倍压或反向冲压式DC-DC变换。 电荷泵电路采用电容器作为储能和传递能量的中介,随着半导体工艺的进步,新电荷泵电路的开关频率将达到1MHz。 电荷泵有倍压型和反向冲压型两种基本电路形式。

电荷泵电路主要用于电压反相器,输入正电压,输出负电压。 在电子产品中,经常需要正负电源或几个不同的电压供电,在用电池供电的手机产品中,增加电池数量必然会影响产品的体积和重量。 通过采用电压反转式电路,便携式产品可以省去一组电池。 由于工作频率为2~3MHz,因此容量小,可以采用陶瓷多层电容(损耗小、ESR低),不仅提高效率、降低噪声,还减小电源空间。

在DC/DC转换器中,除了升压降压电路之外,还可以构成电压反转电路,但电荷泵电压反转器只需外加两个电容,电路最简单,尺寸小,转换效率高,功耗少,因此被广泛使用

现在,许多集成电路都采用单电源工作,简化了电源,但也有不少电路的工作需要正极和负极电源。 例如,D/A转换电路、A/D转换电路、V/F或F/V转换电路、运算放大器电路、电压比较电路等. INTERSIL公司开发ICL7660电压反相器集成电路后,用它获得负电源非常简单,90年代后开发了带稳压的电压反转电路,进一步改善了负电源的性能。 对于用电池供电的便携式电子产品来说,利用电荷泵变换器获得负电源或倍压电源,不仅减少电池的数量,减少产品的体积、重量,而且在减少功耗(延长电池寿命)方面起着很大的作用。 现在的电荷泵最多可以输出250mA的电流,效率达到75% (平均值)。

电荷泵多用于手机、寻呼机、蓝牙系统、便携式电子设备等需要电池的系统。 便携式电子产品发展迅速,对电荷泵变换器提出了不同的要求,各半导体器件公司开发了一系列新产品以满足不同的要求,本文介绍概况。

电荷泵的分类

电荷泵分类

电荷泵可以分为以下几类。

开关调节器升压泵如图1(a )所示。

如图1(b )所示,电容式电荷泵没有被调整。

电容式电荷泵可以如图1(c )所示进行调整。

图1电荷泵的种类

电荷泵动作过程

三种电荷泵的工作过程是:先储存能量,再通过控制方式释放能量,得到所需的输出电压。 开关稳压式升压泵采用电感器储能,电容式电荷泵采用电容器储能。

电荷泵的结构

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压上升,使用电容器储存能量。 电荷泵不需要电感,但需要外部电容器。 由于在高频下工作,可以使用小型陶瓷电容器(1mF ),占用空间小,成本低。 电荷泵仅通过外部容量就可以提供2倍的输出电压。 其损耗主要来自电容器的ESR (等效串联电阻)和内部开关晶体管的rds (导通)。 电荷泵转换器不使用电感,因此辐射EMI可以忽略。 输入侧的噪声可以用小型电容器消除。 其输出电压在工厂生产中精密预置,调节能力由后端芯片上的线性调整器实现,因此电荷泵设计为根据需要增加电荷泵的开关级数,为后端调整器提供足够的可动空间。 电荷泵非常适合便携式APP应用的设计。 从电容式电荷泵的内部结构来看,如图2所示,实际上是片上系统。

图2电容式电荷泵的内部结构

电荷泵的工作原理

电荷泵转换器的基本工作原理如图3所示。 由振荡器、逆变器和四个模拟开关组成,外加两个电容器C1、C2构成电荷泵电压反相电路。

振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1和S2; 该脉冲由逆变器反转后,控制S3和S4。 S1、S2关闭时,S3、S4打开; S3、S4关闭时,S1、S2断开。

在S1、S2导通、S3、S4截止时,输入的正电压v被充电到C1,C1的电压成为v; 当S3、S4导通、S1、S2截止时,C1向C2放电,充电到C2的电压为-VIN,即VOUT=-VIN。 当振荡器在较高频率下不断控制S1、S2和S3、S4的接通和断开时,输出端可输出变换后的负电压(电压转换率可达99%左右)。

从图3可以看出,电荷泵电压反相器不稳定,有负载电流时输出电压会发生变化。 输出电流和输出电压的变化曲线(输出特性)称为输出特性曲线,其特征是输出电流越大,输出电压变化越大。

一般用输出电阻Ro表示输出电流和输出电压的关系。 输出电流从零增加到Io时,输出电压变化为v时,输出电阻Ro如下所示。

Ro=V/Io

p>  输出电阻Ro 越小,输出电压变化越小,输出特性越好。

  如何选择电荷泵

  1、效率优先,兼顾尺寸

  如果需要兼顾效率和占用的 PCB 面积大小时,可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中,效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实现 90% 的峰值效率,更重要的是外围只需少数几个电容器,而不需要功率电感器、续流二极管及 MOSFET。这一点对于降低自身功耗,减少尺寸、BOM 材料清单和成本等至关重要。

  2、输出电流的局限性

  电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于 300mA,输出电压低于 6V。多用于体积受限、效率要求较高,且具有低成本的场合。换言之,对于 300mA 以下的输出电流和 90% 左右的转换效率,无电感型电荷泵 DC/DC 转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而,如果要求输出负载电流、输出电压较大,那么应使用电感开关转换器,同步整流等 DC/DC 转换拓扑。

  3、较低的输出纹波和噪声

  大多数的电荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路,工作在相位差为 180 度的情形,这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波,从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且,与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比,电荷泵产生的噪声更低些。对于 RF 或其它低噪声应用,这一点使其无疑更具竞争优势。

  电荷泵选用要点

  作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素:

  转换效率要高

  无调整电容式电荷泵 90%

  可调整电容式电荷泵 85%

  开关式调整器 83%

  静态电流要小,可以更省电;

  输入电压要低,尽可能利用电池的潜能;

  噪音要小,对手机的整体电路无干扰;

  功能集成度要高,提高单位面积的使用效率,使手机设计更小巧;

  足够的输出调整能力,电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫;

  封装尺寸小是手持产品的普遍要求;

  安装成本低,包括周边电路占PCB 板面积小,走线少而简单;

  具有关闭控制端,可在长时间待机状态下关闭电荷泵,使供电电流消耗近乎为0。

  新型电荷泵变换器的特点

  80 年代末90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以ICL7660为基础开发出一些改进型产品,如MAXIM 公司的MAX1044、Telcom 公司的TC1044S、TC7660 和LTC 公司的LTC1044/7660等。这些改进型器件功能与ICL7660相同,性能上有改进,管脚排列与ICL7660完全相同,可以互换。

  这一类器件的缺点是:输出电流小;输出电阻大;振荡器工作频率低,使外接电容容量大;静态电流大。

  90 年代以后,随着半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展,各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器,它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进,并开发出一些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为:

  1. 提高输出电流及降低输出电阻

  早期产品ICL7660在输出40mA时,使-5V 输出电压降为-3V(相差2V),而新型MAX660输出电流可达100mA,其输出电阻Ro仅为6.5Ω,MAX660在输出40mA时,-5V输出电压为-4.74V(相差仅0.26V),即输出特性有较大的提高。MAX682 的输出电流可达250mA,并且在器件内部增加了稳压电路,即使在250mA 输出时,其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品还有AD 公司的ADM8660、LT 公司的LT1054 等。

  2. 减小功耗

  为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔,要尽可能减小器件的静态电流。近年来,开发出一些微功耗的新产品。ICL7660 的静态电流典型值为170μA,新产品TCM828的静态电流典型值为50μA,MAX1673 的静态电流典型值仅为35μA。另外,为更进一步减小电路的功耗,已开发出能关闭负电源的功能,使器件耗电降到1μA 以下,另外关闭负电源后使部分电路不工作而进一步达到减少功耗的目的。例如,MAX662A、AIC1841 两器件都有关闭功能,在关闭状态时耗电《 1μA,几乎可忽略不计。这一类器件还有TC1121、TC1219、ADM660 及ADM8828等。

  3. 扩大输入电压范围

  ICL7660电荷泵电路的输入电压范围为1.5~10V,为了满足部分电路对更高负压的需要,已开发出输入电压可达18及20V的新产品,即可转换成-18 或-20V的负电压。例如,TC962、TC7662A 的输出电压范围为3~18V,ICL7662、Si7661 的输入电压可达20V。

  4. 减少占印板的面积

  减少电荷泵变换器占印板面积有两种措施:采用贴片或小尺寸封装IC,新产品采用SO封装、μMAX封装及开发出尺寸更小的SOT-23封装;其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时,电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关:工作频率越高,电容容量越小。工作频率在几kHz到几十kHz时,往往需要外接10μF的泵电容;新型器件工作频率已提高到几百kHz,个别的甚至到1MHz,其外接泵电容容量可降到1~0.22μF。

  ICL7660 工作频率为10kHz,外接10μF电容;新型TC7660H 的工作频率提高到120kHz,其外接泵电容已降为1μF。MAX1680/1681 的工作频率高达1MHz,在输出电流为125mA 时,外接泵电容仅为1μF。TC1142 工作频率200kHz,输出电流20mA 时,外接泵电容仅为0.47μF。MAX881R 工作频率100kHz,输出电流较小,其外接泵电容仅为0.22μF。

  若采用SOT-23 封装的器件及贴片式电容,则整个电荷泵变换器的面积可做得很小。

  5. 输出负电压可设定(调整)

  一般的电荷泵变换器的输出负电压VOUT = -VIN,是不可调整的,但新型产品MAX1673可外接两个电阻R1、R2来设定输出负电压。输出电压VOUT 与R1、R2 的关系为:

  VOUT = -(R2/R1)VREF

  式中VREF为外接的基准电压。MAX881R、ADP3603~ADP3605、AIC1840/1841 等都有这种功能。

  6. 两种新型的四倍压器件

  MAX662A是一种输入5V 电压输出12V 带稳压的电荷泵变换器,输出电流可达30mA,它用于闪速存储器编程电源(Flash Memory Programming Supply)。该器件实际上是经两次倍压(四倍压)后其经稳压后输出。

  LTC1502 是另一种工作原理与MAX662A 相同的四倍压器件(它是LT 公司1999 年一季度推出的新产品)。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出3.3V 稳定的电压。另外,它最低的输入电压为0.9V,可充分利用电池的能量。输出电压精度为3.3V±4%,输出电流为10mA。该器件静态电流仅为40μA,并有关闭电源控制,外围元件仅5 个电容,若采用贴片式电容,整个电源面积小于0.125 平方英寸。

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