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淺談電荷泵架構(gòu)和設(shè)計考慮

發(fā)布時間：2024-01-30 13:59:19 瀏覽：546次

開關(guān)電源有電感開關(guān)電源和電容開關(guān)電源兩個大類。在電源中起到能量存儲的關(guān)鍵器件是電感和電容。電容開關(guān)電源即電荷泵，電荷泵在電源可以實現(xiàn)升壓，降壓，以及反相。

1. 電荷泵架構(gòu)理解

電荷泵核心是依據(jù)電容的儲能特性，通過開關(guān)改變電容間的串并關(guān)系，從而改變輸出電壓。從下圖中即可理解電荷泵儲能和傳遞能量的過程。核心器件開關(guān)和飛跨電容。電荷泵不在局限小功率（幾十，幾百mA）的方案，已有大功率的方案如ADI LTC7821的方案。

圖1

2. 電荷泵分類

電荷泵可分為非穩(wěn)壓電荷泵和穩(wěn)壓電荷泵。

A. 從圖1的架構(gòu)我們可以看到輸出電壓是將輸入電壓的進(jìn)行了倍頻和反相，輸出電壓會隨著輸入電壓變化。此結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)倍壓，半壓，反相以及分?jǐn)?shù)比例的電壓需求，但具體需要看芯片內(nèi)部拓?fù)洹?/div>

B. 在電源中通常需要穩(wěn)定的輸出電壓，所以內(nèi)部架構(gòu)控制需要閉環(huán)。

圖2 - ADI LTC3265的內(nèi)部看是電荷泵架構(gòu)+LDO架構(gòu)，實現(xiàn)了穩(wěn)定的正、負(fù)電源輸出。

圖3 - ADI ADP3605的內(nèi)部架構(gòu)看是電荷泵架構(gòu)通過增加輸出反饋調(diào)節(jié)環(huán)路控制開關(guān)的導(dǎo)通電阻來調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出。

整體看來非穩(wěn)壓架構(gòu)的電荷泵比此兩種穩(wěn)定輸出電壓的電荷泵效率高。

圖3

3. 設(shè)計考慮

整體來看電荷泵外圍電路比較簡單，體積小，效率高，核心器件開關(guān)和飛跨電容。為實現(xiàn)電源性能的最優(yōu)化，從器件選取到PCB布局布線都要考慮全面。例如開關(guān)器件內(nèi)置還是外置其所對應(yīng)的開關(guān)速度和開關(guān)損耗；電容的類型，容值，損耗，尺寸等常規(guī)參數(shù)。

飛跨電容：由于切換中電容要倒換極性，優(yōu)選陶瓷電容，X5R或X7R的陶瓷電容器在-40°C-85°C下保持較好的性能。

輸入和輸出電容：為了提升效率同時降低輸出噪聲和紋波，建議采用低ESR的陶瓷電容，為提升瞬態(tài)需要的電荷容量可使鉭電容和電解電容與其并聯(lián)。紋波電壓往往與開關(guān)頻率，輸出電流，電容值以及ESR密切相關(guān)需要綜合考慮。

開關(guān)MOSFET：電荷泵的開關(guān)頻率通常在幾十KHz-幾MHz，部分大功率的電荷泵為外置開關(guān)管，除了管子的驅(qū)動還要考慮開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。

4. 應(yīng)用場景

電荷泵可用在對移動設(shè)備的高功率快速充電的場景

電荷泵可用在便攜設(shè)備內(nèi)部小于200mA的低電流需求的場景

電荷泵可用于LCD和LED的驅(qū)動

在我們常用的RS232電平轉(zhuǎn)換以及一些電源，熱插拔等芯片中也可以見到采用電荷泵作為MOS管柵極驅(qū)動

需要負(fù)電壓小電流的場景，電荷泵也是非常好的選擇

總體看來電荷泵電路簡單，體積和效率方案有一定的優(yōu)勢，使用場景越來越多。