电荷泵工作原理

电荷泵工作原理电荷泵电压反转器是一种DC/DC变换器，它将输入的正电压转换成对应的负电压，即VOUT=-VIN。此外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即VOUT≈2VIN。由于它是运用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，因此这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（ChargePumpConverter）。电荷泵的应用电荷泵转换器常用于倍压或反压型DC-DC转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，伴随半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。电荷泵电路重要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不一样电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增长电池数量，必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR低），不仅提高效率及减少噪声，并且减小电源的空间。虽然有某些DC/DC变换器除可以构成升压、降压电路外也可以构成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简朴，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，因此它获得了极其广泛的应用。目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能工作。例如，D/A变换器电路、A/D变换器电路、V/F或F/V变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自INTERSIL企业开发出ICL7660电压反转器IC后，用它来获得负电源十分简朴，90年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用。目前的电荷泵可以输出高达250mA的电流，效率到达75%(平均值)。电荷泵大多应用在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。便携式电子产品发展神速，对电荷泵变换器提出不一样的规定，各半导体器件企业为满足不一样的规定开发出一系列新产品，本文将作一种概况简介。电荷泵的分类电荷泵分类电荷泵可分为：开关式调整器升压泵，如图1(a)所示。无调整电容式电荷泵，如图1(b)所示。可调整电容式电荷泵，如图1(c)所示。

图1电荷泵的种类电荷泵工作过程3种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。电荷泵的构造电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提高，采用电容器来贮存能量。电荷泵是不必电感的，但需要外部电容器。由于工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1mF)，使空间占用小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。其损耗重要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽视。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它的输出电压是工厂生产精密预置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增长电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分合用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部构造来看,如图2所示它实际上是一种片上系统。图2电容式电荷泵内部构造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构成，外接两个电容C1、C2构成电荷泵电压反转电路。图3电荷泵变换器的基本工作原理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停控制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来表达输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增长到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。怎样选择电荷泵1、效率优先，兼顾尺寸假如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。一般电荷泵可实现90%的峰值效率，更重要的是外围只需少数几种电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及MOSFET。这一点对于减少自身功耗，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到达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、效率规定较高，且具有低成本的场所。换言之，对于300mA如下的输出电流和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运用率较高的方式。然而，假如规定输出负载电流、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，这样的好处是最大程度地减少输出电压纹波，从而有效防止因在输出端增长滤波处理而导致的成本增长。并且，与具有相似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或其他低噪声应用，这一点使其无疑更具竞争优势。电荷泵选用要点作为一种设计工程师选用电荷泵时必然会考虑如下几种要素：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，尽量运用电池的潜能；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规定；安装成本低，包括周围电路占PCB板面积小，走线少而简朴；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为基础开发出某些改善型产品，如MAXIM企业的MAX1044、Telcom企业的TC1044S、TC7660和LTC企业的LTC1044/7660等。这些改善型器件功能与ICL7660相似，性能上有改善，管脚排列与ICL7660完全相似，可以互换。这一类器件的缺陷是：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年代后来，伴随半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展，各半导体器件企业开发出多种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性能方面均有较大改善，并开发出某些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为：提高输出电流及减少输出电阻初期产品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，并且在器件内部增长了稳压电路，虽然在250mA输出时，其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品尚有AD企业的ADM8660、LT企业的LT1054等。减小功耗为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽量减小器件的静态电流。近年来，开发出某些微功耗的新产品。ICL7660的静态电流经典值为170μA，新产品TCM828的静态电流经典值为50μA，MAX1673的静态电流经典值仅为35μA。此外，为更深入减小电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使器件耗电降到1μA如下，此外关闭负电源后使部分电路不工作而深入到达减少功耗的目的。例如，MAX662A、AIC1841两器件均有关闭功能，在关闭状态时耗电<1μA，几乎可忽视不计。这一类器件尚有TC1121、TC1219、ADM660及ADM8828等。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。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；另一方面是减小外接电容的容量。输出电流一定期，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。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等均有这种功能。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（FlashMemoryProgrammingSupp