charge pump電路工作原理以及器件選型

一.前言

常見(jiàn)的電源有buck,boost等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，他們都是工作在開(kāi)關(guān)模式下利用電感充放電實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電壓輸出的電源方案，今天就介紹一下另一種也是工作在開(kāi)關(guān)模式下，但是卻不需要電感的電源電路結(jié)構(gòu)，也就是charge pump電路。它在一些低成本，對(duì)空間要求緊張的場(chǎng)合里一般會(huì)出現(xiàn)，一般是作為輔助電源的身份出現(xiàn)，就是說(shuō)電路中有多個(gè)輸出電壓要求，它可以實(shí)現(xiàn)其中的升壓輸出的需求。

二.charge pump電路工作原理以及器件選型

1.工作原理

charge pump電路基本的構(gòu)成就是一個(gè)在開(kāi)關(guān)模式工作的DC-DC轉(zhuǎn)換器，主要由開(kāi)關(guān)電路以及電容構(gòu)成，開(kāi)關(guān)電路可以由分立器件搭建，也可以選用集成IC，一般來(lái)說(shuō)是選用集成IC，體積小，可靠性高。電容的話(huà)可以選用電解電容或者瓷片電容，這取決于開(kāi)關(guān)速度。

電路的工作原理是這樣的：

1.開(kāi)關(guān)“1”輸出GND，直流電壓+V通過(guò)D1對(duì)C1進(jìn)行充電，C1兩端的電壓為V-VD1，此時(shí)D2未導(dǎo)通；

2.開(kāi)關(guān)“1”輸出+V，C1和D1結(jié)點(diǎn)處的電壓被抬升為：V+V-VD1，D2正向?qū)?，從而?duì)C2充電，C2兩端的電壓為：V+V-VD1-VD2；

通過(guò)以上兩個(gè)步驟就實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的升壓，當(dāng)然為了穩(wěn)定輸出，C2電容的容易一般比C1要大，這樣可能需要多個(gè)開(kāi)關(guān)周期才能把C2充滿(mǎn)，為了進(jìn)一步穩(wěn)定輸出，還可以在輸出端放置穩(wěn)壓管或者LDO來(lái)實(shí)現(xiàn)更高精度的輸出。

2.器件選型

1.電容選型計(jì)算

電容C1主要是為了穩(wěn)定開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓，所以容值不能太大，ESR要盡可能低，所以我們要先制定一個(gè)輸出紋波電壓的指標(biāo)，比如我們把紋波電壓定位500mV。接下來(lái)我們先說(shuō)一下紋波電壓的計(jì)算，紋波電壓包含兩部分，一部分是電容充放電導(dǎo)致的電容電壓的變化，另外一部分是電容自身的ESR導(dǎo)致的電容充放電過(guò)程中產(chǎn)生的紋波電壓。其中D是開(kāi)關(guān)的占空比，f是開(kāi)關(guān)的周期，那么開(kāi)通開(kāi)通的時(shí)間就等于t=D*T=D/f，這一過(guò)程中的電荷為Q=I*t，對(duì)應(yīng)的紋波電壓變化就是：V=Q/U，從而我們就能計(jì)算出這一部分的紋波電壓，另外一部分的紋波電壓就比較好理解了，就不多贅述了。有了這一公式，我們就能反向根據(jù)紋波電壓指標(biāo)，輸出電流要求，以及占空比，開(kāi)關(guān)頻率來(lái)反向計(jì)算出需要的電容容值。電容的耐壓至少要為電源電壓的2倍。

2.二極管選型計(jì)算

二極管的選型就比較簡(jiǎn)單了，主要關(guān)注三點(diǎn)，第一就是二極管的正向?qū)▔航狄?，從而降低二極管功率損耗，也能提供輸出電壓，第二就是二極管的反向耐壓要高于輸出電壓，第三就是二極管的正向通流能力要高于輸出峰值電流，當(dāng)然還要考慮降額。

三.匯總

charge pump電路簡(jiǎn)單，成本低，不用電感節(jié)省空間，但是其輸出能力比較低，一般用在小于200mA的場(chǎng)合，其次雖然沒(méi)有電感，但是還是工作為開(kāi)關(guān)模式，所以存在EMI問(wèn)題，轉(zhuǎn)化效率相比有電感的拓?fù)涓汀?/p>

審核編輯：湯梓紅