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電荷泵(chargepump)又稱爲開關電容DC-DC變換器(switchedcaPACi-torvoltageconverter),在和基於電感的DC-DC開關電源相比較的時候,又稱之爲無感式DC-DC電源變換器。電荷泵採用電容爲開關和儲能元件,與採用電感作爲儲能元件的電感式開關DC-DC轉換器相比,電荷泵的主要優點如下:
高效率; 體積小; 低靜態電流; 最低工作電壓更低; 低噪聲; 低電磁干擾。因爲沒有磁場的高速變換,即電一磁、磁一電的高速變換,而只有對電容的高速充、放電過程,電磁干擾問題幾乎可以忽略; 從目前實用的硅集成技術來看,電容的集成比電感的集成更爲容易和廉價,電荷泵也就更容易實現高度集成: 輸出電壓的調節範圍更大; 對整體應用電路而言,成本低。 目前實用的電荷泵的主要不是則是很難實現大功率、高電壓應用,在這些方面,目前電感式開關DC-DC轉換器還有着無可比擬的優勢。具體而言,電荷泵目前主要的用途如下: 小功率倍壓、電壓反轉應用,典型的應用如單電源的5V、3V系統爲RS232等串行系統提供±12的信號電平。 電壓反轉應用,典型應用如現在開始流行的無電容實地輸出的耳機放大器IC,這些耳放IC單電源供電,內部集成了電荷泵,因此可以實現即不需要輸出電容,耳機的公共端也可以直接接地,典型產品如MAX4411以及OPA4411。 倍壓應用,目前主流應用是驅動LED尤其白光LED,在電池供電的手機、數碼相機等領域,爲LED背光照明和LED閃光燈提供合適的電源。另一個很廣泛的應用是爲EEPROM和flash存儲器提供讀寫電源,這些存儲器IC的電源軌一般是1.8V、3.3V,而讀取需要+5V,擦寫需要12V,將電荷泵集成到這些存儲器IC中,就可以實現單一電源供電。 一、電荷泵的基本原理 電荷泵的基本原理是給電容充電,把電容從充電電路取下以隔離充進的電荷,然後連接到另一個電路上,傳遞剛纔隔離的電荷。我們形象地把這個傳遞電荷的電容看成是“裝了電子的水桶”。從一個大水箱把這個桶接滿,關閉龍頭,然後把桶裏的水倒進一個大水箱[8]。電荷泵也稱爲開關電容式電壓變換器,是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容,而非電感或變壓器來儲能的DC-DC變換器(直流變換器)。它們能使輸入電壓升高或降低,也可以用於產生負電壓。其內部的MOSFET開關陣列以一定的方式控制快速電容器的充電和放電,從而使輸入電壓以一定因數(1/2,2或3)倍增或降低,從而得到所需要的輸出電壓。 電荷泵的電壓變換在兩個階段內實現。在第一個階段,開關S1和S2關閉,而開關S3和S4打開,電容C1充電到輸入電壓: 在第二階段,開關S3和S4關閉,而S1和S2打開。因爲電容C1兩端的電壓降不能立即改變,輸出電壓跳變爲輸入電壓的兩倍。 電荷泵解決方案在應用中也有缺點,其主要缺點是: 只能提供有限的輸出電壓範圍,絕大多數電荷泵的轉換比率最多隻能達到輸入電壓的2倍,這表示輸出電壓不可能高於輸入電壓的2倍。 二、電荷泵電路分析 圖中自舉升壓電路解析(電荷泵工作原理): 1、上電時:電源+11V流過D1、D2向C3充電,C3上的電壓很快升至接近11V; 2、如果Q6導通,C1負極被拉低,C1形成充電迴路,會很快C1充電至11V; 3、當PWM波形翻轉,Q6截止,Q3導通,C1負極電位被擡高到接近電源電壓11V,水漲船高,此時C1正極電位已超過電源電壓,並高於C3端電壓。因爲D1的存在,該電壓不會向電源倒流; 4、此時開始先C3充電,C3上的端電壓被充至接近2倍電源電壓22V; 5、只要Q3、Q6一直輪流導通和截止,C1就會不斷向C3充電,使C3端電壓一直保持22V的電壓。 |
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