电荷泵基础知识.pdf

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1、电荷泵技术知识电荷泵的分类、工作原理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。图图1图1电荷泵的种类工作过程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。图2电容式电荷泵内部结构电荷泵的工作原理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

2、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，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,如图2所示它实际上是一个片上系统。电荷泵选用要点作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素：***转换效率要高无调整电容式电荷泵90%可调整电

3、容式电荷泵85%开关式调整器83%***静态电流要小，可以更省电；***输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；***噪音要小，对手机的整体电路无干扰；***功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计更小巧；***足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫；***封装尺寸小是手持产品的普遍要求；***安装成本低，包括周边电路占PCB板面积小，走线少而简单；***具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。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1

4、MHz。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。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

5、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）。----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

6、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。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。基本工作原理----电荷泵变换器的基本工作原理如图3所示。它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，外接两个电容C1、C2构成电荷泵电压反转电路。图3：电荷荷电压反转器工作原理----振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1及S2；此脉冲经反相器反相后控制S3及S4。当S1

7、、S2闭合时，S3、S4断开；S3、S4闭合时，S1、S2断开。----当S1、S2闭合、S3、S4断开时，输入的正电压V+向C1充电（上正下负），C1上的电压为V+；当S3、S4闭合、S1、S2断开时，C1向C2放电（上正下负），C2上充的电压为-VIN，即VOUT=-VIN。当振荡器以较高的频率不断控制S1、S2及S3、S4的闭合及断开时，输出端可输出变换后的负电压（电压转换率可达99%左右）。----由