电荷泵

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电荷泵是一种DC/DC变换器,它将输入的正电压转换成相应的负电压,即VOUT= -VIN。另外,它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压,即VOUT≈2VIN。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成,所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器(Charge Pump Converter)即电荷泵。

电荷泵的分类

  电荷泵可分为:

  1、开关式调整器升压泵。

  2、无调整电容式电荷泵

  3、可调整电容式电荷泵

电荷泵的工作过程

  电荷泵工作过程首先贮存能量,然后以受控方式释放能量,以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量,而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。

电荷泵的工作原理

  电荷泵变换器的基本工作原理如图所示。它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成,外接两个电容C1、C2 构成电荷泵电压反转电路。

  振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1及S2;此脉冲经反相器反相后控制S3及S4。当S1、S2 闭合时,S3、S4 断开;S3、S4 闭合时,S1、S2 断开。

  当S1、S2 闭合、S3、S4 断开时,输入的正电压V+向C1 充电(上正下负),C1 上的电压为V+;当S3、S4闭合、S1、S2断开时,C1向C2放电(上正下负),C2上充的电压为-VIN,即VOUT=-VIN。当振荡器以较高的频率不断控制S1、S2 及S3、S4 的闭合及断开时,输出端可输出变换后的负电压(电压转换率可达99%左右)。

  由图3 可知,电荷泵电压反转器并不稳压,即有负载电流时,输出电压将有变化。输出电流与输出电压的变化曲线(输出特性)称为输出特性曲线,其特点是输出电流越大,输出电压变化越大。

  一般以输出电阻Ro来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到Io时,输出电压变化为△V,则输出电阻Ro 为:

  Ro = △V/Io

  输出电阻Ro 越小,输出电压变化越小,输出特性越好。

电荷泵的应用

  电荷泵常用于倍压或反压型DC-DC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介,随着半导体工艺的进步,新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。

  电荷泵电路主要用于电压反转器,即输入正电压,输出为负电压,电子产品中,往往需要正负电源或几种不同电压供电,对电池供电的便携式产品来说,增加电池数量,必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用2~3MHz,因此电容容量较小,可采用多层陶瓷电容(损耗小、ESR 低),不仅提高效率及降低噪声,并且减小电源的空间。

  虽然有一些DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路,但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容,电路最简单,尺寸小,并且转换效率高、耗电少,所以它获得了极其广泛的应用。

  目前不少集成电路采用单电源工作,简化了电源,但仍有不少电路需要正负电源才能工作。例如,D/A 变换器电路、A/D 变换器电路、V/F或F/V 变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自INTERSIL公司开发出ICL7660电压反转器IC后,用它来获得负电源十分简单,90 年代后又开发出带稳压的电压反转电路,使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说,采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源,不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量,并且在减少能耗(延长电池寿命)方面起到极大的作用。现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流,效率达到75%(平均值)。

  电荷泵大多应用在需要电池的系统,如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。

电荷泵的选择

  1、效率优先,兼顾尺寸

  2、输出电流的局限性

  3、较低的输出纹波和噪声

 
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