电荷泵

2.1 电荷泵分类

电荷泵可分为:

--开关式调整器升压泵

--无调整电容式电荷泵

--可调整电容式电荷泵

在过去的十年了,电荷泵得到了广泛运用,从未调整单输出IC到带多输出电压的调整IC。输出功率和效率也得到了发展,因此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。

主要应用包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器。

电荷泵(开关电容)IC通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容供电或断电来进行DC/DC电压转换。基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电和断电这两个状态之间切换。C1(充电电容)传输电荷,而C2(充电电容器)则储存电荷并过滤输出电压。

额外的"快速电容"和开关阵列带来多种好处。

电荷泵IC可以用作逆变器、分路器或者增压器。逆变器将输入电压转变成一个负输出。作为分路器使用时,输出电压是输出电压的一部分,例如1/2或2/3。作为增压器时,它可以给I/O带来一个1.5X或者2X的增益。很多便携式系统都是用一个单锂离子电池或者两个金属氢化物镍电池。因此当在2X模式下运行时,电荷泵可以给一般在3.3V到4.0V的范围内工作的白光LED供应适当的正向电压。

基本电荷泵缺少调整电路,因此实际上所有当今使用的电荷泵IC都增加线性调整或者电荷泵调制。线性调整的输出噪音最低,并可以在更低的效率情况下提供更好的性能。而由于调整IC没有串联传输晶体管,控制开关电阻的电荷泵调制就可以提供更高的效率,并为一个给定的芯片面积(或消耗)提供更多的输出电流。

电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。但是,仍然有一个可能的微小噪音源,那就是当快速电容和一个输入源或者另外一个带不同电压的电容器相连时,流向它的高充电电流。同样的,"分路器"电荷泵也能在LDO上改进效率,但又不会像感应降压调整器那样复杂。

电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如,它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时,电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时,电荷泵则在1X模式下运行,此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

增加开关频率也就增加了IC的静态电流,但是也同时降低了C1和C2的电容值。常态频率结构提供低噪音调整输出电压,同时其输入噪音也比传统的电荷泵调节器要低。高频率操作简化了过滤,从而进一步降低了传导噪音。

要实现最优的性能,就要采用带低等效串联电阻(ESR)的电容器。低ESR电容器须用在IC的输出上,来将输出波纹和输出电阻最小化,并达到最高的效率。陶瓷电容器就可以做到这一点,但是某些钽电容器可能要比较合适一点。

软启动可以在启动时阻止在VIN出产生过多的电流流量,从而增加了可定期用于输出电荷储存电容器的电流量。软启动一般在设备被关机时激活,并在设备获得调整之后立刻屏蔽。

通过运用脉冲频率调制,IC只有在当电荷必须传输出去来保持输出调节的时候才产生电荷。当输出电压高于目标调节电压时,IC是闲置的,此时消耗的电流最小,因为储存在输出电容器上的电荷会提供负载电流。而随着这个电容器不断放电以及输出电压逐渐降到目标调节电压一下,电荷泵才会激活并向输出传输电荷。这个电荷供给负载电流,并增加输出电容器上的电压。

1、定义:也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的"快速"(flying)或"泵送"电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(0.5,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80%的效率，而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI(电磁干扰)。

e.g:通过控制内部三极管的gate来控制电容充放电,比如升1.5倍，输出为Vin加上电容两端的0.5Vin达到Vout=1.5Vin

DC-DC:直流-直流转换模块

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。因工作于较高频率，可使用小型陶瓷电容器(1μF)，占用空间最小，使用成本较低。电荷泵仅用外部电容器即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(ESR)和内部开关晶体管的RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感器，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容器滤除。它的输出电压是工厂生产时精密预置的,可通过后端片上线性调整器调整，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，是一个基准、比较、转换和控制电路组成的系统。

在DCDC电源后，2倍升压与翻转负电源，给LCD供电。

电荷泵为容性储能DC-DC产品，可以进行升压，也可以作为降压使用，还可以进行反压输出。电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。

电荷泵是通过外部一个快速充电电容(Flying Capacitor)，内部以一定的频率进行开关，对电容进行充电，并且和输入电压一起，进行升压(或者降压)转换。最后以恒压输出。

在芯片内部有负反馈电路，以保证输出电压的稳定，如上图Vout ，经R1,R2分压得到电压V2，与基准电压VREF做比较，经过误差放大器A，来控制充电电容的充电时间和充电电压，从而达到稳定值。

电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵则在1X模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

以1.5x mode为例讲解:电压转换分两个阶段完成。

第一阶段

在第一阶段， C1和C2串联。假设C1=C2，则电容充电直到电容电压等于输入电压的一半

VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VIN/2

第二阶段

在第二阶段，C1和C2并联，连接在VIN和VOUT之间。

VOUT=VIN+VIN/2=1.5VIN

电荷泵的效率是根据电荷泵的升压模式，输入电压和输出电压所决定，如果是以2倍压模式进行升压，那么它的效率为Vout/2Vin。输入电压越小，效率越高。

在我们的设计中，电荷泵经常被用作白光LED驱动，一般在手机中应用于并联LCD背光驱动芯片。而串联背光驱动芯片则应选择电感式的DC/DC，因为它对电压要求较高。

选用电荷泵时考虑以下几个要素:

· 转换效率要高

· 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，使手机设计的更小巧;

· 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普遍要求;成本低，包括周边电路少占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。