电子阔少

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【原创】说一下电荷泵电路原理

2021-6-22 23:32:57 显示全部楼层
本帖最后由 电子阔少 于 2021-6-22 23:42 编辑

今天讲一下电压拓扑中比较基础的知识,电荷泵电路原理。
比如我们在电源供电设计中,经常遇到很小的功率的升压降压的需求,还有小功率负压的需求。
比如下面的这个运放需要±2.5V的电压供电。遇到这样的电路一般会怎样处理更有效呢?
360截图20210622213421837.jpg
图1
下面说的电荷泵就可以满足这些供电要求。
那么什么是电荷泵?电荷泵也称为开关电容式电压变换器,是一种利用快速或泵送电容(而非电感或变压器)来储能C-DC(变换器),是直流直流变换器,可产生比输入电压高的输出电压,也可产生负电压。
电荷泵电路能够在不需要电感参与的情况下实现高效的能量传输。也可以产生负电压,在实际电路中有时也需要负电压,就也可以用电荷泵电路产生。
也就是说电荷泵电路完全靠的是电容储能,而我们经常用开关电源拓扑中的
buck电路、boost电路是电感储能。

如图2所示,是一个电话泵的电路原理。图中的VCC是一个恒定的电压,电容的两个极板我们标识为A和B,B点的输入电压为Uin。
如图2是电荷泵的工作原理图示意图。

360截图20210621212923161.jpg
图2
这里先说一个知识点,电感的特性是阻碍电流的变化,电容的特性是阻碍电压的变化,电容两个极板两端的电压,它不会瞬间突变,同样,穿过电感的电流也不会瞬间突变。
在图2中,分析一下电荷泵的原理,就是利用电容两端的电压不会突变的特性,具体的原理,就是当AB两极电压不变时,此时,在B点来个幅度不变的电压Uin方波,此时B点电压抬升,而A点电压也随之抬升,而当A点电压抬升时,由于二极管的存在,只能单向,而A点电压原来是Vcc,突然来个Uin,A点电压直接就加到Uin上去,输出端A点电压就变成Vcc+Uin。
在图2中,输入电压Uin的在低脉冲阶段,输出端电压就是Vcc,保持着和输入电压一致的电压。来脉冲之后,就同步把脉冲电压加上去。主要是利用电容两端的电压不能突变的特性,这就是电荷泵的基本工作原理。
输出电压:理想情况下,输入电压最大值Voutmax=Vin+Vcc-Vf(Vf是二极管的压降),而在实际使用过程中并不能达到理想状态。
输出电流:Lout=(Vcc+Vin-Vf-Vout)*f*Ctly(f=PWM波频率,Cfly=跨接电容值),其中的Vout是指加在负载两端已经滤完波已经稳压的电压。


上面我们主要是讲输出电压高压输入电压,我们上面提到,电荷泵电路也可产生负电压,那么是什么原因呢?
如下图3是负电压产生的原理图
360截图20210622220553384.jpg
图3
osc振荡器产生2路信号,分别是A和A非,即一对互补信号,后面有一对互补功能的开关sw1和sw2,还有C1和C2两对电容。
其原理是,第一步,当互补信号A是1时,A非为0,开关sw1打开,sw2关闭,Vi通过sw1给C1充电,通过电容C1负极,sw1到地。第二步,A是0,A非为1时,开关sw1关闭,sw2打开,如图4和图5是电荷泵电路产生负压的示意图。

360截图20210621223400856.jpg
图4
360截图20210621223547559.jpg
图5
就是相当于把电容C1反过来,放到C2上,实现了负电压的输出。

这种负电压输出的电路,实际电路应用中,很多电路都应用到。例如在max232电路中,电平芯片内部产生较高电压或负压,我们知道max232芯片是±12V的逻辑电平,那么±怎么来的呢,有时我们输入电压只有5V电源,虽然供电的功率不高,就是利用电荷泵的原理实现。图6是max232的内部电路原理示意图。max232IC中有2路电荷泵电路,引脚中1和3脚就是一路的电荷泵电路,4和5脚也是一路电荷泵电路。2脚和6脚分别是正负10V电压引脚,可以说明的是,在有些正负双电压供电的场合,如果功率不大,正好是±10V的话,如果板子上正好有max232芯片,那么就可以采用这对电压供电,或者可以专门设计一个这样的芯片进行供电,一般功率不大的情况下,这种设计是可行。
360截图20210621230327880.jpg
图6
360截图20210621230518638.jpg
图7
图7就是max232芯片内部的电荷泵电路示意图,数据手册上应该讲的很清楚。
对于电荷泵电路,实际应用中,我们很少用分立元件去搭建。很多情况是用集成电路IC实现。
比如,凌特的LTC3240-3.3和TI的电荷泵芯片LM2755
360截图20210621225012205.jpg

图7
360截图20210621231054944.jpg
图8

比如LTC3240-3.3就是一个好电荷泵的集成电路IC,LTC3240-3.3是一个标识为锂电池供电的,输入从2.7V到4.5V供电,输出为3.3V,150mA的DCDC芯片,这种IC非常适合小型锂电池供电的产品中,外围元件非常少。
在类似这样的电荷泵芯片中,从IC电路的引脚也可以判断是否为电荷泵芯片,有C+和C-连接一个电容的,就可以判断是一颗电荷泵芯片。
下面我们简单看一下内部的电路,如图9是LTC3240-3.3的内部电路。
360截图20210621225817564.jpg
图9
图10是TI的电荷泵芯片LM2755内部电路。
360截图20210621231004705.jpg
图10

我们可以到官网下载他们的数据手册,可以仔细研究。

除上面讲的负压应用,还有用到电荷泵的应用场合有以下几种情况;
    1. 在实际应用中,彩色液晶屏的LED背光也是负压是最常用的应用,还有小功率的LDO芯片,也用到电荷泵电路IC。
    2. 还有经常要用的场合是MOS管的驱动电源,我们知道,NMOS经常用于下管,如果NMOS用于上管时的栅极驱动电压,就要用栅源极电压高压栅源开启电压,这是我们就需要一个电荷泵进行上管时的栅源驱动。所谓这样的自举型电荷泵,使电路设计变得非常简单,但实际使用过程中有些限制,如对桥臂的开通时序和占空比有限制等。所以,在某些要求比较高的应用场合,采用他驱型的电荷泵,即将电荷泵电路及驱动波形与主功率电路分离,采用外部电路构成电荷泵。
    3.在倍压应用,目前主流应用是驱动LED尤其白光LED,在电池供电的手机、数码相机等领域,为LED背光照明和LED闪光灯提供合适的电源。

    4.另一个很广泛的应用是为EEPROM和flash存储器提供读写电源,这些存储器IC的电源轨一般是1.8V、3.3V,而读取需要+5V,擦写需要12V,将电荷泵集成到这些存储器IC中,就可以实现单一电源供电。
    5.电压反转应用,典型应用如现在开始流行的无电容实地输出的耳机放大器IC,这些耳放IC单电源供电,内部集成了电荷泵,因此可以实现即不需要输出电容,耳机的公共端也可以直接接地,典型产品如MAX232以及OPA4411等。

总结一下:
    实际的电路设计中,有很多场合用了电荷泵IC,大大简化电路复杂设计程度,效率也比较高,目前实用的电荷泵的主要是很难实现大功率、高电压应用,在这些方面,目前电感式开关DC-DC转换器还有着无可比拟的优势。
在小功率倍压、电压反转应用,典型的应用,比如本文讨论的如小功率的单电源的升压、负压产生,或±信号电平的应用上,电荷泵IC电路优势比较明显。
  电荷泵的基本原理是给电容充电,把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷,然后连接到另一个电路上,传递刚才隔离的电荷。本文从电荷泵的原理到应用场合进行了简单分析,希望能在电路设计中对大家有用。
      最后,借助有人对电荷泵的总结,电荷泵也称为开关电容式电压变换器,是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容,而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器(直流变换器)。

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bokes

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bokes 2021-6-23 15:21:38 显示全部楼层
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电荷泵电路在负电压供电中非常好用  详情 回复 发表于 2021-6-23 20:16

电子阔少

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简单qqq 2021-6-24 10:07:59 显示全部楼层
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有很多场合用了电荷泵IC,大大简化电路复杂设计程度  详情 回复 发表于 2021-6-24 14:11
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电子阔少

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