電荷泵電壓反轉器是一種DC/DC變換器,它將輸入的正電壓轉換成相應的負電壓,即VOUT= -VIN。另外,它也可以把輸出電壓轉換成近兩倍的輸入電壓,即VOUT≈2VIN。由于它是利用電容的充電、放電實現電荷轉移的原理構成,所以這種電壓反轉器電路也稱為電荷泵變換器(Charge Pump Converter)。
電荷泵的應用
電荷泵轉換器常用于倍壓或反壓型DC-DC 轉換。電荷泵電路采用電容作為儲能和傳遞能量的中介,隨著半導體工藝的進步,新型電荷泵電路的開關頻率可達1MHz。電荷泵有倍壓型和反壓型兩種基本電路形式。
電荷泵電路主要用于電壓反轉器,即輸入正電壓,輸出為負電壓,電子產品中,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品來說,增加電池數量,必然影響產品的體積及重量。采用電壓反轉式電路可以在便攜式產品中省去一組電池。由于工作頻率采用2~3MHz,因此電容容量較小,可采用多層陶瓷電容(損耗小、ESR 低),不僅提高效率及降低噪聲,并且減小電源的空間。
雖然有一些DC/DC 變換器除可以組成升壓、降壓電路外也可以組成電壓反轉電路,但電荷泵電壓反轉器僅需外接兩個電容,電路最簡單,尺寸小,并且轉換效率高、耗電少,所以它獲得了極其廣泛的應用。
目前不少集成電路采用單電源工作,簡化了電源,但仍有不少電路需要正負電源才能工作。例如,D/A 變換器電路、A/D 變換器電路、V/F或F/V 變換電路、運算放大器電路、電壓比較器電路等等。自INTERSIL公司開發出ICL7660電壓反轉器IC后,用它來獲得負電源十分簡單,90 年代后又開發出帶穩壓的電壓反轉電路,使負電源性能更為完善。對采用電池供電的便攜式電子產品來說,采用電荷泵變換器來獲得負電源或倍壓電源,不僅僅減少電池的數量、減少產品的體積、重量,并且在減少能耗(延長電池壽命)方面起到極大的作用。現在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流,效率達到75%(平均值)。
電荷泵大多應用在需要電池的系統,如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統和便攜式電子設備。便攜式電子產品發展神速,對電荷泵變換器提出不同的要求,各半導體器件公司為滿足不同的要求開發出一系列新產品,本文將作一個概況介紹。
電荷泵的分類
電荷泵分類
電荷泵可分為:
開關式調整器升壓泵,如圖1(a)所示。
無調整電容式電荷泵,如圖1(b)所示。
可調整電容式電荷泵,如圖1(c)所示。
圖1 電荷泵的種類
電荷泵工作過程
3 種電荷泵的工作過程均為:首先貯存能量,然后以受控方式釋放能量,以獲得所需的輸出電壓。開關式調整器升壓泵采用電感器來貯存能量,而電容式電荷泵采用電容器來貯存能量。
電荷泵的結構
電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現電壓提升,采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的,但需要外部電容器。由于工作于較高的頻率,因此可使用小型陶瓷電容(1mF),使空間占用小,使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供±2 倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的ESR(等效串聯電阻)和內部開關晶體管的RDS(ON)。電荷泵轉換器不使用電感,因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它的輸出電壓是工廠生產精密預置的,調整能力是通過后端片上線性調整器實現的,因此電荷泵在設計時可按需要增加電荷泵的開關級數,以便為后端調整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應用產品的設計。從電容式電荷泵內部結構來看,如圖2 所示它實際上是一個片上系統。
圖2 電容式電荷泵內部結構
電荷泵工作原理
電荷泵變換器的基本工作原理如圖3所示。它由振蕩器、反相器及四個模擬開關組成,外接兩個電容C1、C2 構成電荷泵電壓反轉電路。
振蕩器輸出的脈沖直接控制模擬開關S1及S2;此脈沖經反相器反相后控制S3及S4。當S1、S2 閉合時,S3、S4 斷開;S3、S4 閉合時,S1、S2 斷開。
當S1、S2 閉合、S3、S4 斷開時,輸入的正電壓V+向C1 充電(上正下負),C1 上的電壓為V+;當S3、S4閉合、S1、S2斷開時,C1向C2放電(上正下負),C2上充的電壓為-VIN,即VOUT=-VIN。當振蕩器以較高的頻率不斷控制S1、S2 及S3、S4 的閉合及斷開時,輸出端可輸出變換后的負電壓(電壓轉換率可達99%左右)。
由圖3 可知,電荷泵電壓反轉器并不穩壓,即有負載電流時,輸出電壓將有變化。輸出電流與輸出電壓的變化曲線(輸出特性)稱為輸出特性曲線,其特點是輸出電流越大,輸出電壓變化越大。
一般以輸出電阻Ro來表示輸出電流與輸出電壓的關系。若輸出電流從零增加到Io時,輸出電壓變化為△V,則輸出電阻Ro 為:
Ro = △V/Io
輸出電阻Ro 越小,輸出電壓變化越小,輸出特性越好。
如何選擇電荷泵
1、效率優先,兼顧尺寸
如果需要兼顧效率和占用的 PCB 面積大小時,可考慮選用電荷泵。例如電池供電的應用中,效率的提高將直接轉變為工作時間的有效延長。通常電荷泵可實現 90% 的峰值效率,更重要的是外圍只需少數幾個電容器,而不需要功率電感器、續流二極管及 MOSFET。這一點對于降低自身功耗,減少尺寸、BOM 材料清單和成本等至關重要。
2、輸出電流的局限性
電荷泵轉換器所能達到的輸出負載電流一般低于 300mA,輸出電壓低于 6V。多用于體積受限、效率要求較高,且具有低成本的場合。換言之,對于 300mA 以下的輸出電流和 90% 左右的轉換效率,無電感型電荷泵 DC/DC 轉換器可視為一種成本經濟且空間利用率較高的方式。然而,如果要求輸出負載電流、輸出電壓較大,那么應使用電感開關轉換器,同步整流等 DC/DC 轉換拓撲。
3、較低的輸出紋波和噪聲
大多數的電荷泵轉換器通過使用一對集成電荷泵環路,工作在相位差為 180 度的情形,這樣的好處是最大限度地降低輸出電壓紋波,從而有效避免因在輸出端增加濾波處理而導致的成本增加。而且,與具有相同輸出電流的等效電感開關轉換器相比,電荷泵產生的噪聲更低些。對于 RF 或其它低噪聲應用,這一點使其無疑更具競爭優勢。
電荷泵選用要點
作為一個設計工程師選用電荷泵時必然會考慮以下幾個要素:
轉換效率要高
無調整電容式電荷泵 90%
可調整電容式電荷泵 85%
開關式調整器 83%
靜態電流要小,可以更省電;
輸入電壓要低,盡可能利用電池的潛能;
噪音要小,對手機的整體電路無干擾;
功能集成度要高,提高單位面積的使用效率,使手機設計更小巧;
足夠的輸出調整能力,電荷泵不會因工作在滿負荷狀態而發燙;
封裝尺寸小是手持產品的普遍要求;
安裝成本低,包括周邊電路占PCB 板面積小,走線少而簡單;
具有關閉控制端,可在長時間待機狀態下關閉電荷泵,使供電電流消耗近乎為0。
新型電荷泵變換器的特點
80 年代末90 年代初各半導體器件廠生產的電荷泵變換器是以ICL7660為基礎開發出一些改進型產品,如MAXIM 公司的MAX1044、Telcom 公司的TC1044S、TC7660 和LTC 公司的LTC1044/7660等。這些改進型器件功能與ICL7660相同,性能上有改進,管腳排列與ICL7660完全相同,可以互換。
這一類器件的缺點是:輸出電流小;輸出電阻大;振蕩器工作頻率低,使外接電容容量大;靜態電流大。
90 年代以后,隨著半導體工藝技術的進步與便攜式電子產品的迅猛發展,各半導體器件公司開發出各種新型電荷泵變換器,它們在器件封裝、功能和性能方面都有較大改進,并開發出一些專用的電荷泵變換器。它們的特點可歸納為:
1. 提高輸出電流及降低輸出電阻
早期產品ICL7660在輸出40mA時,使-5V 輸出電壓降為-3V(相差2V),而新型MAX660輸出電流可達100mA,其輸出電阻Ro僅為6.5Ω,MAX660在輸出40mA時,-5V輸出電壓為-4.74V(相差僅0.26V),即輸出特性有較大的提高。MAX682 的輸出電流可達250mA,并且在器件內部增加了穩壓電路,即使在250mA 輸出時,其輸出電壓變化也甚小。這種帶穩壓的產品還有AD 公司的ADM8660、LT 公司的LT1054 等。
2. 減小功耗
為了延長電池的壽命或兩次充電之間的間隔,要盡可能減小器件的靜態電流。近年來,開發出一些微功耗的新產品。ICL7660 的靜態電流典型值為170μA,新產品TCM828的靜態電流典型值為50μA,MAX1673 的靜態電流典型值僅為35μA。另外,為更進一步減小電路的功耗,已開發出能關閉負電源的功能,使器件耗電降到1μA 以下,另外關閉負電源后使部分電路不工作而進一步達到減少功耗的目的。例如,MAX662A、AIC1841 兩器件都有關閉功能,在關閉狀態時耗電《 1μA,幾乎可忽略不計。這一類器件還有TC1121、TC1219、ADM660 及ADM8828等。
3. 擴大輸入電壓范圍
ICL7660電荷泵電路的輸入電壓范圍為1.5~10V,為了滿足部分電路對更高負壓的需要,已開發出輸入電壓可達18及20V的新產品,即可轉換成-18 或-20V的負電壓。例如,TC962、TC7662A 的輸出電壓范圍為3~18V,ICL7662、Si7661 的輸入電壓可達20V。
4. 減少占印板的面積
減少電荷泵變換器占印板面積有兩種措施:采用貼片或小尺寸封裝IC,新產品采用SO封裝、μMAX封裝及開發出尺寸更小的SOT-23封裝;其次是減小外接電容的容量。輸出電流一定時,電荷泵變換器的外接電容的容量與振蕩器工作頻率有關:工作頻率越高,電容容量越小。工作頻率在幾kHz到幾十kHz時,往往需要外接10μF的泵電容;新型器件工作頻率已提高到幾百kHz,個別的甚至到1MHz,其外接泵電容容量可降到1~0.22μF。
ICL7660 工作頻率為10kHz,外接10μF電容;新型TC7660H 的工作頻率提高到120kHz,其外接泵電容已降為1μF。MAX1680/1681 的工作頻率高達1MHz,在輸出電流為125mA 時,外接泵電容僅為1μF。TC1142 工作頻率200kHz,輸出電流20mA 時,外接泵電容僅為0.47μF。MAX881R 工作頻率100kHz,輸出電流較小,其外接泵電容僅為0.22μF。
若采用SOT-23 封裝的器件及貼片式電容,則整個電荷泵變換器的面積可做得很小。
5. 輸出負電壓可設定(調整)
一般的電荷泵變換器的輸出負電壓VOUT = -VIN,是不可調整的,但新型產品MAX1673可外接兩個電阻R1、R2來設定輸出負電壓。輸出電壓VOUT 與R1、R2 的關系為:
VOUT = -(R2/R1)VREF
式中VREF為外接的基準電壓。MAX881R、ADP3603~ADP3605、AIC1840/1841 等都有這種功能。
6. 兩種新型的四倍壓器件
MAX662A是一種輸入5V 電壓輸出12V 帶穩壓的電荷泵變換器,輸出電流可達30mA,它用于閃速存儲器編程電源(Flash Memory Programming Supply)。該器件實際上是經兩次倍壓(四倍壓)后其經穩壓后輸出。
LTC1502 是另一種工作原理與MAX662A 相同的四倍壓器件(它是LT 公司1999 年一季度推出的新產品)。該器件用一節可充電電池或一節堿性電池就可輸出3.3V 穩定的電壓。另外,它最低的輸入電壓為0.9V,可充分利用電池的能量。輸出電壓精度為3.3V±4%,輸出電流為10mA。該器件靜態電流僅為40μA,并有關閉電源控制,外圍元件僅5 個電容,若采用貼片式電容,整個電源面積小于0.125 平方英寸。
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