电荷泵(charge pump)
电荷泵(chargepump)又称为开关电容DC-DC变换器(switchedcaPACi-torvoltageconverter),在和基于电感的DC-DC开关电源相比较的时候,又称之为无感式DC-DC电源变换器。电荷泵采用电容为开关和储能元件,与采用电感作为储能元件的电感式开关DC-DC转换器相比,电荷泵的主要优点如下:
高效率;
体积小;
低静态电流;
最低工作电压更低;
低噪声;
低电磁干扰。因为没有磁场的高速变换,即电一磁、磁一电的高速变换,而只有对电容的高速充、放电过程,电磁干扰问题几乎可以忽略;
从目前实用的硅集成技术来看,电容的集成比电感的集成更为容易和廉价,电荷泵也就更容易实现高度集成:
输出电压的调节范围更大;
对整体应用电路而言,成本低。
目前实用的电荷泵的主要不是则是很难实现大功率、高电压应用,在这些方面,目前电感式开关DC-DC转换器还有着无可比拟的优势。具体而言,电荷泵目前主要的用途如下:
小功率倍压、电压反转应用,典型的应用如单电源的5V、3V系统为RS232等串行系统提供±12的信号电平。
电压反转应用,典型应用如现在开始流行的无电容实地输出的耳机放大器IC,这些耳放IC单电源供电,内部集成了电荷泵,因此可以实现即不需要输出电容,耳机的公共端也可以直接接地,典型产品如MAX4411以及OPA4411。
倍压应用,目前主流应用是驱动LED尤其白光LED,在电池供电的手机、数码相机等领域,为LED背光照明和LED闪光灯提供合适的电源。另一个很广泛的应用是为EEPROM和flash存储器提供读写电源,这些存储器IC的电源轨一般是1.8V、3.3V,而读取需要+5V,擦写需要12V,将电荷泵集成到这些存储器IC中,就可以实现单一电源供电。
一、电荷泵的基本原理
电荷泵的基本原理是给电容充电,把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷,然后连接到另一个电路上,传递刚才隔离的电荷。我们形象地把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满,关闭龙头,然后把桶里的水倒进一个大水箱[8]。电荷泵也称为开关电容式电压变换器,是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容,而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器(直流变换器)。它们能使输入电压升高或降低,也可以用于产生负电压。其内部的MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电,从而使输入电压以一定因数(1/2,2或3)倍增或降低,从而得到所需要的输出电压。
电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段,开关S1和S2关闭,而开关S3和S4打开,电容C1充电到输入电压:
在第二阶段,开关S3和S4关闭,而S1和S2打开。因为电容C1两端的电压降不能立即改变,输出电压跳变为输入电压的两倍。
电荷泵解决方案在应用中也有缺点,其主要缺点是:
只能提供有限的输出电压范围,绝大多数电荷泵的转换比率最多只能达到输入电压的2倍,这表示输出电压不可能高于输入电压的2倍。
二、电荷泵电路分析
图中自举升压电路解析(电荷泵工作原理):
1、上电时:电源+11V流过D1、D2向C3充电,C3上的电压很快升至接近11V;
2、如果Q6导通,C1负极被拉低,C1形成充电回路,会很快C1充电至11V;
3、当PWM波形翻转,Q6截止,Q3导通,C1负极电位被抬高到接近电源电压11V,水涨船高,此时C1正极电位已超过电源电压,并高于C3端电压。因为D1的存在,该电压不会向电源倒流;
4、此时开始先C3充电,C3上的端电压被充至接近2倍电源电压22V;
5、只要Q3、Q6一直轮流导通和截止,C1就会不断向C3充电,使C3端电压一直保持22V的电压。
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