浅谈电荷泵架构和设计考虑
发布日期:2024-01-30
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开关电源有电感开关电源和电容开关电源两个大类。在电源中起到能量存储的关键器件是电感和电容。电容开关电源即电荷泵，电荷泵在电源可以实现升压，降压，以及反相。
1. 电荷泵架构理解
电荷泵核心是依据电容的储能特性，通过开关改变电容间的串并关系，从而改变输出电压。从下图中即可理解电荷泵储能和传递能量的过程。核心器件开关和飞跨电容。电荷泵不在局限小功率（几十，几百mA）的方案，已有大功率的方案如ADI LTC7821的方案。
图1
2. 电荷泵分类
电荷泵可分为非稳压电荷泵和稳压电荷泵。
A. 从图1的架构我们可以看到输出电压是将输入电压的进行了倍频和反相，输出电压会随着输入电压变化。此结构可实现倍压，半压，反相以及分数比例的电压需求，但具体需要看芯片内部拓扑。
B. 在电源中通常需要稳定的输出电压，所以内部架构控制需要闭环。
图2 - ADI LTC3265的内部看是电荷泵架构+LDO架构，实现了稳定的正、负电源输出。
图3 - ADI ADP3605的内部架构看是电荷泵架构通过增加输出反馈调节环路控制开关的导通电阻来调节稳定输出。
整体看来非稳压架构的电荷泵比此两种稳定输出电压的电荷泵效率高。
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图3
3. 设计考虑
整体来看电荷泵外围电路比较简单，体积小，效率高，核心器件开关和飞跨电容。为实现电源性能的最优化，从器件选取到PCB布局布线都要考虑全面。例如开关器件内置还是外置其所对应的开关速度和开关损耗；电容的类型，容值，损耗，尺寸等常规参数。
飞跨电容：由于切换中电容要倒换极性，优选陶瓷电容，X5R或X7R的陶瓷电容器在-40°C-85°C下保持较好的性能。
输入和输出电容：为了提升效率同时降低输出噪声和纹波，建议采用低ESR的陶瓷电容，为提升瞬态需要的电荷容量可使钽电容和电解电容与其并联。纹波电压往往与开关频率，输出电流，电容值以及ESR密切相关需要综合考虑。
开关MOSFET：电荷泵的开关频率通常在几十KHz-几MHz，部分大功率的电荷泵为外置开关管，除了管子的驱动还要考虑开关损耗和导通损耗。
4. 应用场景
电荷泵可用在对移动设备的高功率快速充电的场景
电荷泵可用在便携设备内部小于200mA的低电流需求的场景
电荷泵可用于LCD和LED的驱动
在我们常用的RS232电平转换以及一些电源，热插拔等芯片中也可以见到采用电荷泵作为MOS管栅极驱动
需要负电压小电流的场景，电荷泵也是非常好的选择
总体看来电荷泵电路简单，体积和效率方案有一定的优势，使用场景越来越多。
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