How to calculate the power consumption of charge pump in DC-DC conversion without inductance?
Time:2021-12-21
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系統(tǒng)工程中一個常見的問題是子系統(tǒng)，其主電源無法滿足其電源需求。在這種情況下，可用的供電軌不能直接使用，也不能直接使用電池電壓（如果有）?？臻g不足會阻止包含最佳數(shù)量的電池，否則放電電池的電壓下降可能不適用于該應(yīng)用。
電壓轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生所需的電壓電平，而電荷泵通常是要求低功耗，簡單和低成本相結(jié)合的應(yīng)用的最佳選擇。電荷泵易于使用，因為它們不需要昂貴的電感器或其他半導(dǎo)體。
電荷泵–概述
電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器使用陶瓷或電解電容器來存儲和傳輸能量。盡管電容器比其他類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用的線圈更普遍且更便宜，但電容器無法突然改變其電壓電平。不斷變化的電容器電壓始終遵循指數(shù)函數(shù)，這施加了電感式電壓轉(zhuǎn)換器可以避免的限制。然而，感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換器更昂貴。
使用此原理的常見集成電路是ICL7660，有人認為它是經(jīng)典電荷泵的原型。ICL7660集成了開關(guān)和振蕩器，因此開關(guān)S1，S3和S2，S4交替工作（圖1）。此處顯示的配置將輸入電壓反相。外部連接稍有變化，它也可以使輸入電壓加倍或分壓。
閉合S1和S3會在前半個周期將飛跨電容器C1充電至V +。在下半部分，S1和S3打開，S2和S4關(guān)閉。此動作將C1的正極連接到地，并將負極連接到VOUT。C1然后與儲能電容器C2并聯(lián)。如果C2兩端的電壓小于C1兩端，則電荷從C1流到C2，直到C2兩端的電壓達到-（V +）。
電容分壓器
考慮一種設(shè)計用于將輸入電壓除以2并使輸出電流加倍的電路。它具有優(yōu)于線性穩(wěn)壓器（通常將功率轉(zhuǎn)換為熱量）的優(yōu)勢，并有益于需要有限輸出電流的應(yīng)用。例如，一個4mA至20mA的接口通常會提供相對較高的輸出電壓，但會提供有限的預(yù)設(shè)輸出電流。其他應(yīng)用包括許多運算放大器和微控制器，它們現(xiàn)在以非常低的電源電壓工作。在這些電路中，理論上將電源電壓除以2會將功耗除以4。
圖2的配置使用電容性分壓器C3，C4和C5，C6產(chǎn)生穩(wěn)定的VOUT（= VIN / 2）。通過在該分壓器的上半部和下半部之間交替切換飛跨電容器C2，IC可抵消任何與負載有關(guān)的電壓差。該電路的開關(guān)頻率為35kHz，靜態(tài)電流僅為36µA。當(dāng)負載電流超過1mA時，電路效率超過90％。然而，在很小的負載電流（即低于100µA）的情況下，即使如此低的36mA靜態(tài)電流也會降低轉(zhuǎn)換效率。與簡單的電阻分壓器相比，這種開關(guān)電容器配置既提供了更好的穩(wěn)壓性能，又比從分壓器和運算放大器緩沖器的簡單組合獲得的效率更高。IC規(guī)范將VIN限制為最大5.5V。
圖2的配置使用電容性分壓器C3，C4和C5，C6產(chǎn)生穩(wěn)定的VOUT（= VIN / 2）。通過在該分壓器的上半部和下半部之間交替切換飛跨電容器C2，IC可抵消任何與負載有關(guān)的電壓差。該電路的開關(guān)頻率為35kHz，靜態(tài)電流僅為36µA。當(dāng)負載電流超過1mA時，電路效率超過90％。然而，在很小的負載電流（即低于100µA）的情況下，即使如此低的36mA靜態(tài)電流也會降低轉(zhuǎn)換效率。與簡單的電阻分壓器相比，這種開關(guān)電容器配置既提供了更好的穩(wěn)壓性能，又比從分壓器和運算放大器緩沖器的簡單組合獲得的效率更高。IC規(guī)范將VIN限制為最大5.5V。
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