簡述
1、定義：也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC(變換器)。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于産生負電壓。其内部的FET開關陣列以一定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(0.5,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特别的調制過程可以保證高達80%的效率，而且隻需外接陶瓷電容。由于電路是開關工作的，電荷泵結構也會産生一定的輸出紋波和EMI(電磁幹擾)。
e.g：通過控制内部三極管的gate來控制電容充放電,比如升1.5倍，輸出為Vin加上電容兩端的0.5Vin達到Vout=1.5Vin
DC-DC：直流－直流轉換模塊
應用
在過去的十年了,電荷泵得到了廣泛運用,從未調整單輸出IC到帶多輸出電壓的調整IC。輸出功率和效率也得到了發展,因此現在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流,效率達到75%(平均值)。電荷泵大多應用在需要電池的系統,如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統和便攜式電子設備 。
主要應用包括驅動用于手機背光的白光LED和毫瓦範圍的數字處理器。
如何工作?
電荷泵(開關電容)IC通過利用一個開關網絡給兩個或兩個以上的電容供電或斷電來進行DC/DC電壓轉換。基本電荷泵開關網絡不斷在給電容器供電和斷電這兩個狀态之間切換。C1(充電電容)傳輸電荷,而C2(充電電容器)則儲存電荷并過濾輸出電壓。
額外的“快速電容”和開關陣列帶來多種好處。
有哪些工作模式?
電荷泵IC可以用作逆變器、分路器或者增壓器。逆變器将輸入電壓轉變成一個負輸出。作為分路器使用時,輸出電壓是輸出電壓的一部分,例如1/2或2/3。作為增壓器時,它可以給I/O帶來一個1.5X或者2X的增益。很多便攜式系統都是用一個單锂離子電池或者兩個金屬氫化物鎳電池。因此當在2X模式下運行時,電荷泵可以給一般在3.3V到4.0V的範圍内工作的白光LED供應适當的正向電壓。
輸出電壓經過調節嗎?
基本電荷泵缺少調整電路,因此實際上所有當今使用的電荷泵IC都增加線性調整或者電荷泵調制。線性調整的輸出噪音最低,并可以在更低的效率情況下提供更好的性能。而由于調整IC沒有串聯傳輸晶體管,控制開關電阻的電荷泵調制就可以提供更高的效率,并為一個給定的芯片面積(或消耗)提供更多的輸出電流。
主要優勢是什麼?
電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場和電磁幹擾。但是,仍然有一個可能的微小噪音源,那就是當快速電容和一個輸入源或者另外一個帶不同電壓的電容器相連時,流向它的高充電電流。同樣的,“分路器”電荷泵也能在LDO上改進效率,但又不會像感應降壓調整器那樣複雜。
輸出電壓和它的輸入電壓适配嗎?
電荷泵可以依據電池電壓輸入不斷改變其輸出電壓。例如,它在1.5X或1X的模式下都可以運行。當電池的輸入電壓較低時,電荷泵可以産生一個相當于輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當電池的電壓較高時,電荷泵則在1X模式下運行,此時負載電荷泵僅僅是将輸入電壓傳輸到負載中。這樣就在輸入電壓較高的時候降低了輸入電流和功率損耗。
增加電容的開關頻率會發生什麼變化?
增加開關頻率也就增加了IC的靜态電流,但是也同時降低了C1和C2的電容值。常态頻率結構提供低噪音調整輸出電壓,同時其輸入噪音也比傳統的電荷泵調節器要低。高頻率操作簡化了過濾,從而進一步降低了傳導噪音。
最适用于哪些電容器?
要實現最優的性能,就要采用帶低等效并聯電阻(ESR)的電容器。低ESR電容器須用在IC的輸出上,來将輸出波紋和輸出電阻最小化,并達到最高的效率。陶瓷電容器就可以做到這一點,但是某些钽電容器可能要比較合适一點。
軟啟動将帶來什麼效應?
軟啟動可以在啟動時阻止在VIN出産生過多的電流流量,從而增加了可定期用于輸出電荷儲存電容器的電流量。軟啟動一般在設備被關機時激活,并在設備獲得調整之後立刻屏蔽。
IC如何将功率消耗最小化?
通過運用脈沖頻率調制,IC隻有在當電荷必須傳輸出去來保持輸出調節的時候才産生電荷。當輸出電壓高于目标調節電壓時,IC是閑置的,此時消耗的電流最小,因為儲存在輸出電容器上的電荷會提供負載電流。而随着這個電容器不斷放電以及輸出電壓逐漸降到目标調節電壓一下,電荷泵才會激活并向輸出傳輸電荷。這個電荷供給負載電流,并增加輸出電容器上的電壓。
