电荷泵的工作原理.doc

电荷泵的工作原理电荷泵的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相应的负电压,即VOUT=-VIN。另外,它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压,即VOUT≈2VIN。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成,所以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,随着半导体工艺的进步,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。 电荷泵电路主要用于电压反转器,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同电压供电,对电池供电的便携式产品来说,增加电池数量,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),不仅提高效率及降低噪声,并且减小电源的空间。 虽然有一些DC/DC变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路,但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容,电路最简单,尺寸小,并且转换效率高、耗电少,所以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公司开发出ICL7660电压反转器IC后,用它来获得负电源十分简单,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。现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流,效率达到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同的要求,各半导体器件公司为满足不同的要求开发出一系列新产品,本文将作一个概况介绍。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。电荷泵的结构 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升,采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的,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。其损耗主要来自电容器的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可以忽略。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加电荷泵的开关级数,以便为后端调整