電荷泵電路的工作原理及倍壓器電路示例

通過了解電荷泵電路、它們是什么、它們?nèi)绾喂ぷ鳌⑺鼈兊膬?yōu)缺點(diǎn)以及它們的應(yīng)用，進(jìn)一步深入了解開關(guān)電容器電路。

什么是電荷泵電路？

電荷泵電路或電荷泵穩(wěn)壓器是一種 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它利用開關(guān)電容技術(shù)來(lái)增加或降低輸入電壓電平。

如圖 1 所示，這些電路塊通常僅由電容器和開關(guān)（即時(shí)鐘控制的場(chǎng)效應(yīng)晶體管或 FET）組成，并且通過仔細(xì)定時(shí)和控制這些開關(guān)來(lái)利用電容器的電荷轉(zhuǎn)移特性來(lái)工作。

圖 1.簡(jiǎn)單電荷泵電路原理圖。圖片由德州儀器提供

通過交替充電和放電電容器，電荷泵可以將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓。

從較低級(jí)別的角度來(lái)看，電荷泵電路利用了電容器的固有行為及其無(wú)法瞬時(shí)改變狀態(tài)的能力。正如電容器 IV 方程所定義的，為了使電容器瞬時(shí)改變其電壓，它需要無(wú)限量的電流。

由于這在物理上是不可能的，我們看到電容器不能突然改變其端子上的電壓。電荷泵利用這種行為，通過使用精心定時(shí)的開關(guān)來(lái)控制電容器兩端的電壓。

電荷泵倍壓器電路示例

為了更好地理解電荷泵的工作原理，我們現(xiàn)在來(lái)看一個(gè)基本示例：電壓倍增器電路。

如圖 2 所示，我們的倍壓器電路由一個(gè)由四個(gè)周圍開關(guān)控制的單個(gè)電容器組成。

圖 2.倍壓器電路原理圖

該電路的操作分為兩個(gè)階段：增益階段和公共階段。在增益階段，SW1 和 SW2 閉合，而 SW3 和 SW4 斷開。如圖3所示，在這個(gè)階段，C1的正負(fù)端分別連接到Vin和GND。

圖 3. 在增益階段，電容器充電至 Vin

因此，電容器被充電，直到其端子上的電壓等于 Vin?，F(xiàn)在 C1 充電至 Vin，我們切換到圖 4 所示的公共相位。

圖 4. 在共相中，電容器通過將其正極端子提升至 2*Vin 來(lái)維持其兩端的電壓

在共相中，SW1 和 SW2 斷開，SW3 和 SW4 閉合。這里，C1 的負(fù)端連接到 Vin，而正端連接到 Vout。

如前所述，電容器兩端的電壓不能立即改變。因此，電容器將嘗試在其自身上保持等效的 Vin 電壓。為了在其自身上保持此 Vin，電容器迫使 Vout 處的電壓等于 2*Vin，使電容器兩端的等效電壓等于 Vin。

輸出電壓以地為參考，電壓倍增器電路有效地接受輸入 Vin 并產(chǎn)生 2*Vin 的輸出電壓。

電荷泵電路中的非理想行為

值得注意的是，到目前為止，我們的討論都假設(shè)了理想電容器和理想開關(guān)，這兩者在實(shí)際應(yīng)用中都不現(xiàn)實(shí)。

電荷泵電路中非理想行為的一些來(lái)源包括：

時(shí)鐘饋通

MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）開關(guān)損耗

電容器等效串聯(lián)電阻 （ESR）

當(dāng)前不匹配

電荷泄漏

費(fèi)用共享

這些非理想情況中的每一個(gè)都可能導(dǎo)致電荷泵電路的效率降低，并且行為與我們迄今為止的方程式和示例所建模的行為略有不同。

電荷泵穩(wěn)壓器：優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、應(yīng)用

與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，電荷泵穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是由于不需要使用電感器，其尺寸顯著減小。

電感器因在集成電路上需要大量硅面積而臭名昭著，因?yàn)樗鼈兊男阅芊浅Ｒ蕾囉趲缀涡螤睿弘姼兄蹬c匝數(shù)直接相關(guān)，而更多的匝數(shù)需要更多的面積。另一方面，電荷泵不需要使用電感器，因此比開關(guān)轉(zhuǎn)換器小得多。

下面的表 1 顯示了電荷泵、基于電感的開關(guān)模式穩(wěn)壓器和低壓差 （LDO） 電路之間的一些主要優(yōu)缺點(diǎn)。

表 1.比較電荷泵、開關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO 的優(yōu)缺點(diǎn)。

與線性穩(wěn)壓器相比，電荷泵還具有優(yōu)勢(shì)，即它們提供更高的效率，并且可以對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓和升壓。

另一方面，電荷泵的效率往往低于開關(guān)穩(wěn)壓器，并且具有高水平的輸出紋波和噪聲，使其成為比線性穩(wěn)壓器更差的穩(wěn)壓器。由于這些原因，電荷泵最適合需要低負(fù)載電流和中等輸入輸出電壓差的應(yīng)用。

電荷泵電路的一些流行應(yīng)用包括：

偏置電路

逐次逼近 ADC

電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器 （ EEPROM ）

H橋高邊驅(qū)動(dòng)器

磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 （MRAM）

鎖相環(huán)

在本文中，我們討論了電荷泵電路的概述、它們的工作原理，并展示了一個(gè)倍壓器電路示例。除此之外，我們還討論了電荷泵穩(wěn)壓器的權(quán)衡，并討論了它與其他流行類型的穩(wěn)壓器的比較。