電荷泵,電荷泵是什么意思

電荷泵,電荷泵是什么意思

背景知識：

便攜式移動設(shè)備大多以電池供電，其負載電路通常是微處理器控制的設(shè)備，比如移動電話、掌上電腦等等，此類設(shè)備要求供電電源效率高、輸出紋波電壓小。直流變換器就是把未經(jīng)調(diào)整的電源電壓轉(zhuǎn)化為符合要求的電源。電池的廣泛使用，給這一類電源帶來特殊的要求:高效率、靜態(tài)電流小、很小的面積、低重量并且價格便宜。傳統(tǒng)的電源通常使用一個電感實現(xiàn)DC/DC變換，但是電感體積龐大、容易飽和、會產(chǎn)生EMI而且電感價格昂貴。為解決此類問題，現(xiàn)代電源通常采用電荷泵電路。電荷泵采用電容儲存能量，外接組件少，非常適合用于便攜式設(shè)備中，并且隨著其電路結(jié)構(gòu)的不斷改進和工藝水平的提高，也可應(yīng)用在需要較大電流的應(yīng)用電路中。因此高效率電荷泵DC-DC轉(zhuǎn)換器因其功耗小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、無需電感、二極管、MOSFET等外圍組件、高EMI抑制等優(yōu)點，在電源管理電路中己得到廣泛應(yīng)用。

???????負壓電荷泵模式(圖)

基本原理：

電荷泵使用電容儲存能量，并且隨著電荷泵電路結(jié)構(gòu)的改進，也可應(yīng)用在需要大電流的應(yīng)用電路中。一般電荷泵電路主要有兩種工作模式——“LINEAR” 模式和“SKIP”模式。

當(dāng)電荷泵工作在“LINEAR”模式下，可以獲得較低的輸出紋波，工作在“SKIP”模式下可以獲得較低的靜態(tài)電流。為描述方便，以下分析中的電荷泵四個開關(guān)管均用NMOS代替，而并非實際上電荷泵開關(guān)中既有PMOS又有NMOS。

無電感 型 電荷泵如圖1所示，包含四個開關(guān)(M1-M4)、一個泵電容(flying capacitor) CF、輸出電容(OutputCa pacitor)LOUT。一個簡單的工作過程可分為三個階段:

階段A ( 充電階段，M1和M2導(dǎo)通):泵電容被VIN充電，CF兩端的平均壓差為VIN減去充電電流在M1和M2產(chǎn)生壓降。

階段B （能量傳輸階段，M3和M4導(dǎo)通):泵電容向負載電容放電，其兩極平均電壓為

階段C (等待階段，M1-M4均不導(dǎo)通):沒有能量從VIN傳輸?shù)紺F和Cout。VCF =常量。在等待狀態(tài)，CF兩端電壓保持恒定，這意味著:

當(dāng)用50%占空比的時鐘時，△tA =△tB = △t,，所以CF的平均充電電流就等于其平均放電電流，假設(shè)階段A和階段B的時間常數(shù)足夠大。

開關(guān) M1 - M4周期性通過階段A,B 和C翻轉(zhuǎn)，能量就從電池Vin傳輸?shù)截撦d(Vout)。在單個周期里，只有在階段B才對負載電容Cout充電，在其余階段(階段A和C), Cout向負載放電。在死循環(huán)電路系統(tǒng)中，輸出電壓Vout為穩(wěn)定值，這就要求電荷泵充電能量等于負載消耗的能量。所以，在能量傳輸?shù)碾A段B,輸出電流IP可以寫成:

即

現(xiàn)狀和發(fā)展：

電源是各種用電設(shè)備的動力裝置，是電子工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品。經(jīng)濟建設(shè)和社會生活各個方面的發(fā)展都會促進電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近十年來中國的信息產(chǎn)業(yè)以其他行業(yè)三倍的速度快速發(fā)展，“九五”期間，中國對電子工業(yè)的投資比重由過去五年的2.2%提高到5.4%,總投資規(guī)模達到4293億元，比過去五年增長近12倍，因此成為電源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強大推動力。電源最大的應(yīng)用領(lǐng)域是在通信行業(yè)，近十年來我國通信事業(yè)快速發(fā)展，通信電源也同步增長，1991年國內(nèi)通信電源投資額為人民幣0.8億元，到2002年全國通信電源市場容量為45億元以上。從1991年到2002年通信電源增長56倍多。

在國際上，日本和美國的電子工業(yè)和通信業(yè)很發(fā)達，因此對電源的需求量非常大。在2000年，由于亞洲通信事業(yè)的高速發(fā)展，對電源供應(yīng)和管理電路的需求量在全球市場上的比例升至10%，并且這個比例在今后一段時間還將迅速增長，從而成為世界上最有發(fā)展?jié)摿Φ碾娫垂?yīng)市場之一。