|
电荷泵工作原理
电荷泵变换器的基本工作原理如图3所示。它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，外接两个电容C1、C2 构成电荷泵电压反转电路。
振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1及S2；此脉冲经反相器反相后控制S3及S4。当S1、S2 闭合时，S3、S4 断开；S3、S4 闭合时，S1、S2 断开。
当S1、S2 闭合、S3、S4 断开时，输入的正电压V+向C1 充电（上正下负），C1 上的电压为V+；当S3、S4闭合、S1、S2断开时，C1向C2放电（上正下负），C2上充的电压为-VIN，即VOUT=-VIN。当振荡器以较高的频率不断控制S1、S2 及S3、S4 的闭合及断开时，输出端可输出变换后的负电压（电压转换率可达99%左右）。
由图3 可知，电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将有变化。输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）称为输出特性曲线，其特点是输出电流越大，输出电压变化越大。
一般以输出电阻Ro来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到Io时，输出电压变化为△V，则输出电阻Ro 为：
Ro = △V/Io
输出电阻Ro 越小，输出电压变化越小，输出特性越好。
如何选择电荷泵
1、效率优先，兼顾尺寸
如果需要兼顾效率和占用的 PCB 面积大小时，可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中，效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实现 90% 的峰值效率，更重要的是外围只需少数几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及 MOSFET。这一点对于降低自身功耗，减少尺寸、BOM 材料清单和成本等至关重要。
2、输出电流的局限性
电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于 300mA，输出电压低于 6V。多用于体积受限、效率要求较高，且具有低成本的场合。换言之，对于 300mA 以下的输出电流和 90% 左右的转换效率，无电感型电荷泵 DC/DC 转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而，如果要求输出负载电流、输出电压较大，那么应使用电感开关转换器，同步整流等 DC/DC 转换拓扑。
3、较低的输出纹波和噪声
大多数的电荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路，工作在相位差为 180 度的情形，这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波，从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且，与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比，电荷泵产生的噪声更低些。对于 RF 或其它低噪声应用，这一点使其无疑更具竞争优势。
电荷泵选用要点
作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素：
- 转换效率要高
无调整电容式电荷泵 90%
可调整电容式电荷泵 85%
开关式调整器 83%
- 静态电流要小，可以更省电；
- 输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；
- 噪音要小，对手机的整体电路无干扰；
- 功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计更小巧；
- 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫；
- 封装尺寸小是手持产品的普遍要求；
- 安装成本低，包括周边电路占PCB 板面积小，走线少而简单；
- 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。
新型电荷泵变换器的特点
80 年代末90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以ICL7660为基础开发出一些改进型产品，如MAXIM 公司的MAX1044、Telcom 公司的TC1044S、TC7660 和LTC 公司的LTC1044/7660等。这些改进型器件功能与ICL7660相同，性能上有改进，管脚排列与ICL7660完全相同，可以互换。
这一类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频率低，使外接电容容量大；静态电流大。
90 年代以后，随着半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展，各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进，并开发出一些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为：
1. 提高输出电流及降低输出电阻
早期产品ICL7660在输出40mA时，使-5V 输出电压降为-3V（相差2V），而新型MAX660输出电流可达100mA，其输出电阻Ro仅为6.5Ω，MAX660在输出40mA时，-5V输出电压为-4.74V（相差仅0.26V），即输出特性有较大的提高。MAX682 的输出电流可达250mA，并且在器件内部增加了稳压电路，即使在250mA 输出时，其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品还有AD 公司的ADM8660、LT 公司的LT1054 等。
2. 减小功耗
为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽可能减小器件的静态电流。近年来，开发出一些微功耗的新产品。ICL7660 的静态电流典型值为170μA，新产品TCM828的静态电流典型值为50μA，MAX1673 的静态电流典型值仅为35μA。另外，为更进一步减小电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使器件耗电降到1μA 以下，另外关闭负电源后使部分电路不工作而进一步达到减少功耗的目的。例如，MAX662A、AIC1841 两器件都有关闭功能，在关闭状态时耗电< 1μA，几乎可忽略不计。这一类器件还有TC1121、TC1219、ADM660 及ADM8828等。
3. 扩大输入电压范围
ICL7660电荷泵电路的输入电压范围为1.5～10V，为了满足部分电路对更高负压的需要，已开发出输入电压可达18及20V的新产品，即可转换成-18 或-20V的负电压。例如，TC962、TC7662A 的输出电压范围为3～18V，ICL7662、Si7661 的输入电压可达20V。
4. 减少占印板的面积
减少电荷泵变换器占印板面积有两种措施：采用贴片或小尺寸封装IC，新产品采用SO封装、μMAX封装及开发出尺寸更小的SOT-23封装；其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时，电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关：工作频率越高，电容容量越小。工作频率在几kHz到几十kHz时，往往需要外接10μF的泵电容；新型器件工作频率已提高到几百kHz，个别的甚至到1MHz，其外接泵电容容量可降到1～0.22μF。
ICL7660 工作频率为10kHz，外接10μF电容；新型TC7660H 的工作频率提高到120kHz，其外接泵电容已降为1μF。MAX1680/1681 的工作频率高达1MHz，在输出电流为125mA 时，外接泵电容仅为1μF。TC1142 工作频率200kHz，输出电流20mA 时，外接泵电容仅为0.47μF。MAX881R 工作频率100kHz，输出电流较小，其外接泵电容仅为0.22μF。
若采用SOT-23 封装的器件及贴片式电容，则整个电荷泵变换器的面积可做得很小。
5. 输出负电压可设定（调整）
一般的电荷泵变换器的输出负电压VOUT = -VIN，是不可调整的，但新型产品MAX1673可外接两个电阻R1、R2来设定输出负电压。输出电压VOUT 与R1、R2 的关系为：
VOUT = -(R2/R1)VREF
式中VREF为外接的基准电压。MAX881R、ADP3603～ADP3605、AIC1840/1841 等都有这种功能。
6. 两种新型的四倍压器件
MAX662A是一种输入5V 电压输出12V 带稳压的电荷泵变换器，输出电流可达30mA，它用于闪速存储器编程电源（Flash Memory Programming Supply）。该器件实际上是经两次倍压（四倍压）后其经稳压后输出。
LTC1502 是另一种工作原理与MAX662A 相同的四倍压器件（它是LT 公司1999 年一季度推出的新产品）。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出3.3V 稳定的电压。另外，它最低的输入电压为0.9V，可充分利用电池的能量。输出电压精度为3.3V±4%，输出电流为10mA。该器件静态电流仅为40μA，并有关闭电源控制，外围元件仅5 个电容，若采用贴片式电容，整个电源面积小于0.125 平方英寸。
2/2 首页 上一页 1 2 |
