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        實用電源管理技術中幾種基本電荷泵電路結(jié)構

        2021-04-01 09:19:28吳娟重慶電子工程職業(yè)學院
        環(huán)球市場 2021年7期
        關鍵詞:電荷泵導通電容

        吳娟 重慶電子工程職業(yè)學院

        在電源管理電路中,常常需要將可用的直流電源轉(zhuǎn)換為較低或較高的直流電壓。對于高電壓到低電壓的轉(zhuǎn)換,可以采用LDO(Low Dropout Regulator,低壓差線性穩(wěn)壓器),但是如何輕松地將較低的電壓轉(zhuǎn)換為較高的電壓呢?這就可以借助于電荷泵了。電荷泵由于其功耗低、結(jié)構簡單、易于集成,廣泛應用于電源管理芯片中。電荷泵又稱為電容式開關電源,通過控制電容的充放電實現(xiàn)升壓、降壓以及反轉(zhuǎn)電壓的功能。本文對實用電源管理技術中幾種常用的基本電荷泵電路結(jié)構做具體介紹。

        一、升壓式電荷泵

        圖1 升壓式電荷泵結(jié)構

        圖1 所示為升壓式電荷泵結(jié)構,由四個開關S1、S2、S3 和S4 以及電容C 組成。在電源管理芯片中,開關一般是快速MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬氧化物半導體場效應管)開關管構成的。在圖1 中,開關S1 和S3 同時導通,開關S2 和S4 同時導通,且S1 和S3導 通 時,S2 和S4 斷 開;S2 和S4 導 通 時,S1 和S3 斷開;即它們交替導通。工作原理分析如下:

        (一)當S1 和S3 導通,S2 和S4 斷開時

        電容C 被電源VIN充電,并充電至其兩端電壓達到VIN。

        (二)當S2 和S4 導通,S1 和S3 斷開時

        由于電容C 兩端的電壓不能突變,保持為VIN,電荷泵的輸出電壓VO為:

        VIN為電荷泵的輸入電壓,UC為電容C的電壓,由式(1)可知電荷泵的輸出電壓是輸入電壓的兩倍,故圖1 所示電路為兩倍增益的升壓式電荷泵。

        二、降壓式電荷泵

        電荷泵除了能提供升壓的功能,還具備降壓的功能。降壓式電荷泵,由四個開關S1、S2、S3 和S4 以及輸入電容CIN、電容C、輸出電容Co 組成。同樣地,開關S1 和S3 同時導通,開關S2 和S4 同時導通,它們交替導通。工作原理分析如下:

        (一)當S1 和S3 導通,S2 和S4 斷開時

        電容C 和Co 為串聯(lián)關系,它們被電源VIN 充電,滿足以下公式:

        式(2)中,VIN為電荷泵的輸入電壓,Vo 為電荷泵的輸出電壓,UC 為電容C 的電壓,為電容CO的電壓。

        (二)當S2 和S4 導通,S1 和S3 斷開時

        電容C 和Co 為并聯(lián)關系,且電容C 和Co 兩端的電壓不能突變,滿足:

        結(jié)合式(1)和式(2),可以得到:

        所以輸出電壓為輸入電壓一半的降壓式電荷泵。

        三、電荷泵反轉(zhuǎn)器

        電荷泵除了能實現(xiàn)升壓和降壓的功能外,它還能完成輸出電壓變?yōu)榕c輸入電壓相反極性的功能,圖2 所示為由電荷泵組成的電壓反轉(zhuǎn)器。

        圖2 電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器

        如圖2 所示,電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器由振蕩器、反相器以及四個開關、兩個電容C1 和C2 組成。振蕩器輸出的脈沖直接控制開關S1 及S2;此脈沖經(jīng)反相器反相后控制開關S3 及S4。當S1、S2 閉合時,S3、S4 斷開;S3、S4 閉合時,S1、S2 斷開。工作原理分析如下:

        (一)當S1 和S2 導通,S3 和S4 斷開時

        電容C1 被VIN充電至VIN,即:

        式(5)中VIN為電荷泵輸入電壓,UC1為電容C1 的電壓。

        (二)當S3 和S4 導通,S1 和S2 斷開時

        電容C1 向C2 放電,可以分析得到:

        Vo 為電荷泵輸出電壓,UC2為電容C2的電壓,由式(6)可知,電荷泵的輸出電壓為輸入電壓的反轉(zhuǎn)。電子產(chǎn)品中,往往需要正負電源或幾種不同電壓供電,對電池供電的便攜式產(chǎn)品來說,增加電池數(shù)量,必然影響產(chǎn)品的體積及重量。采用電壓反轉(zhuǎn)式電路可以在便攜式產(chǎn)品中省去一組或多組電池,構成多組正負電源電壓,同時,由于電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器僅需外接兩個電容,電路最簡單,尺寸小,并且轉(zhuǎn)換效率高、耗電少,所以它獲得了極其廣泛的應用。

        四、結(jié)論

        電荷泵具備簡單性、低成本、無需電感、較小的PCB(Printed Circuit Board,印制電路板)空間、能提供降壓、升壓和反相電壓等優(yōu)點,在電源管理技術中必不可少。如今,許多IC(Integrated Circuit,集成電路)、微處理器以及EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,帶電可擦可編程只讀存儲器)都需要多個電源,這些都可以通過電荷泵來提供所需要的電源電壓。

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