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（Charge Pump Converter）。

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。
 
图2 电容式电荷泵内部结构

电荷泵工作原理
    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。
 
    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、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）。
     由图3 可知，电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将有变化。输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）称为输出特性曲线，其特点是输出电流越大，输出电压变化越大。
    一般以输出电阻Ro来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到Io时，输出电压变化为△V，则输出电阻Ro 为：
 Ro = △V/Io
     输出电阻Ro 越小，输出电压变化越小，输出特性越好。

如何选择电荷泵
1、效率优先，兼顾尺寸
    如果需要兼顾效率和占用的 PCB 面积大小时，可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中，效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实现 90% 的峰值效率，更重要的是外围只需少数几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及 MOSFET。这一点对于降低自身功耗，减少尺寸、BOM 材料清单和成本等至关重要。
2、输出电流的局限性
    电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于 300mA，输出电压低于 6V。多用于体积受限、效率要求较高，且具有低成本的场合。换言之，对于 300mA 以下的输出电流和 90% 左右的转换效率，无电感型电荷泵 DC/DC 转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而，如果要求输出负载电流、输出电压较大，那么应使用电感开关转换器，同步整流等 DC/DC 转换拓扑。
3、较低的输出纹波和噪声
    大多数的电荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路，工作在相位差为 180 度的情形，这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波，从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且，与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比，电荷泵产生的噪声更低些。对于 RF 或其它低噪声应用，这一点使其无疑更具竞争优势。

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。

新型电荷泵变换器的特点
    80 年代末90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以ICL7660为基础开发出一些改进型产品，如MAXIM 公司的MAX1044、Telcom 公司的TC1044S、TC7660 和LTC 公司的LTC1044/7660等。这些改进型器件功能与ICL7660相同，性能上有改进，管脚排列与ICL7660完全相同，可以互换。
     这一类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频率低，使外接电容容量大；静态电流大。
     90 年代以后，随着半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展，各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进，并开发出一些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为：
1. 提高输出电流及降低输出电阻
     早期产品ICL7660在输出40mA时，使-5V 输出电压降为-3V（相差2V），而新型MAX660输出电流可达100mA，其输出电阻Ro仅为6.5Ω，MAX660在输出40mA时，-5V输出电压为-4.74V（相差仅0.26V），即输出特性有较大的提高。MAX682 的输出电流可达250mA，并且在器件内部增加了稳压电路，即使在250mA 输出时，其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品还有AD 公司的ADM8660、LT 公司的LT1054 等。
2. 减小功耗
     为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽可能减小器件的静态电流。近年来，开发出一些微功耗的新产品。ICL7660 的静态电流典型值为170μA，新产品TCM828的静态电流典型值为50μA，MAX1673 的静态电流典型值仅为35μA。另外，为更进一步减小电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使器件耗电降到1μA 以下，另外关闭负电源后使部分电路不工作而进一步达到减少功耗的目的。例如，MAX662A、AIC1841 两器件都有关闭功能，在关闭状态时耗电< 1μA，几乎可忽略不计。这一类器件还有TC1121、TC1219、ADM660 及ADM8828等。
3. 扩大输入电压范围
      ICL7660电荷泵电路的输入电压范围为1.5～10V，为了满足部分电路对更高负压的需要，已开发出输入电压可达18及20V的新产品，即可转换成-18 或-20V的负电压。例如，TC962、TC7662A 的输出电压范围为3～18V，ICL7662、Si7661 的输入电压可达20V。
4. 减少占印板的面积
     减少电荷泵变换器占印板面积有两种措施：采用贴片或小尺寸封装IC，新产品采用SO封装、μMAX封装及开发出尺寸更小的SOT-23封装；其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时，电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关：工作频率越高，电容容量越小。工作频率在几kHz到几十kHz时，往往需要外接10μF的泵电容；新型器件工作频率已提高到几百kHz，个别的甚至到1MHz，其外接泵电容容量可降到1～0.22μF。
     ICL7660 工作频率为10kHz，外接10μF电容；新型TC7660H 的工作频率提高到120kHz，其外接泵电容已降为1μF。MAX1680/1681 的工作频率高达1MHz，在输出电流为125mA 时，外接泵电容仅为1μF。TC1142 工作频率200kHz，输出电流20mA 时，外接泵电容仅为0.47μF。MAX881R 工作频率100kHz，输出电流较小，其外接泵电容仅为0.22μF。
     若采用SOT-23 封装的器件及贴片式电容，则整个电荷泵变换器的面积可做得很小。
5. 输出负电压可设定（调整）
    一般的电荷泵变换器的输出负电压VOUT = -VIN，是不可调整的，但新型产品MAX1673可外接两个电阻R1、R2来设定输出负电压。输出电压VOUT 与R1、R2 的关系为：
 VOUT = -(R2/R1)VREF
     式中VREF为外接的基准电压。MAX881R、ADP3603～ADP3605、AIC1840/1841 等都有这种功能。
6. 两种新型的四倍压器件
     MAX662A是一种输入5V 电压输出12V 带稳压的电荷泵变换器，输出电流可达30mA，它用于闪速存储器编程电源（Flash Memory Programming Supply）。该器件实际上是经两次倍压（四倍压）后其经稳压后输出。
     LTC1502 是另一种工作原理与MAX662A 相同的四倍压器件（它是LT 公司1999 年一季度推出的新产品）。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出3.3V 稳定的电压。另外，它最低的输入电压为0.9V，可充分利用电池的能量。输出电压精度为3.3V±4%，输出电流为10mA。该器件静态电流仅为40μA，并有关闭电源控制，外围元件仅5 个电容，若采用贴片式电容，整个电源面积小于0.125 平方英寸。