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电荷泵的工作原理及应用

电荷泵的工作原理及应用

点击数:7111 次   录入时间:03-04 11:40:08   整理:http://www.55dianzi.com   调稳压-升降压技术

  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仔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、电荷泵的工作原理

  电荷泵的工作原理并不复杂,只是常见电荷泵多是lC,实际的具体电路很难见到而已。电荷泵的应用不外乎两大类:升压(倍压)和电压反转(正变负或者负变正)。

  电荷泵的倍压应用

  下图是目前在集成电路内部等效电路中常见的一种倍压方式(升压)的电路原理图。

倍压方式(升压)的电路原理图

  上图是1倍压电路,右侧是场效应管在不同开关状态下的等效电路,C1、C2的容量、耐压等电气参数均相同。图中使用了四只场效应管为电子开关,它们的栅极驱动电路图中省略了。这四只场效应管是两两轮流开关的,图中用带圆圈的表示同时开关的一对场效应管,不带圆圈的是另一对同时开关的场效应管。

  Q1、3打开,q2、4关断时的等效电路不难理解:电源Vin为C1充电,充电电压最终会达到Vin;同时电源Vin也会通过负载电阻RL为C2充电,只是由于RL的存在,充电速度远低于C1。Q1、3关断,Q2、4打开时,C2的负端电压等于Vin,而C1的两端电压是Vin,负端等于Vin,正端就等于2Vin(1倍),倍压电路由此而来。由于C1充电时,C2的充电极性是反向的,因此二者串联时(C1放电时),C2上的电量反而会消耗掉C1上的电量,因此最佳的开关频率是,当C1充电时刚刚冲至Vin时就结束充电以减少对C2的充电。只要开关速度适当,Vout端的负载两端的电压就大致等于2Vin。




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