电荷泵基础知识

电荷泵技术知识电荷泵技术知识电荷泵技术知识电荷泵技术知识 电荷泵的分类、工作原理电荷泵的分类、工作原理电荷泵的分类、工作原理电荷泵的分类、工作原理 电荷泵分类电荷泵分类电荷泵分类电荷泵分类 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。 图图图图 1 1 1 1 电荷泵的种类电荷泵的种类电荷泵的种类电荷泵的种类 工作过程工作过程工作过程工作过程 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。 图图图图 2 2 2 2 电容式电荷泵内部结构电容式电荷泵内部结构电容式电荷泵内部结构电容式电荷泵内部结构 电荷泵的工作原理电荷泵的工作原理电荷泵的工作原理电荷泵的工作原理 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。 电荷泵选用要点电荷泵选用要点电荷泵选用要点电荷泵选用要点 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。 应用应用应用应用 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 23MHz，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。 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 VOUT2VIN。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） 。 -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。 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。 基本工作原理 - 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。 图图图图 3 3 3 3：电荷荷电压反转器工作原理：电荷荷电压反转器工作原理：电荷荷电压反转器工作原理：电荷荷电压反转器工作原理 - 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。电荷 泵电压反转器 TC1044S 的输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）如图 4 所示。由图 4 可清楚看出：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。在图 2 中可以看出：输出电流 为零时，输出电压为-5V；当输出电流 Io 为 20mA 时，输出电压变成-4V，则平均输出电阻 Ro 为： 图图图图 4：输出电压与输出电流的关系：输出电压与输出电流的关系：输出电压与输出电流的关系：输出电压与输出电流的关系 - Ro = -4-(-5)/20mA = 50 新型电荷泵变换器的特点新型电荷泵变换器的特点新型电荷泵变换器的特点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. 1. 1. 1. 提高输出电流及降低输出电阻提高输出电流及降低输出电阻提高输出电流及降低输出电阻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6.5， 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. 2. 2. 2. 减小功耗减小功耗减小功耗减小功耗 - 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 170A， 新产品 TCM828 的静态电 流典型值为 50A，MAX1673 的静态电流典型值仅为 35A。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 1A 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 1A， 几乎可忽略不计。 这一类器件还有 TC1121、 TC1219、 ADM660 及 ADM8828 等。 3. 3. 3. 3. 扩大输入电压范围扩大输入电压范围扩大输入电压范围扩大输入电压范围 - ICL7660电荷泵电路的输入电压范围为1.510V， 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 318V，ICL7662、Si7661 的输入电压可达 20V。 4. 4. 4. 4. 减少占印板的面积减少占印板的面积减少占印板的面积减少占印板的面积 - 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、MAX 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 10F 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 10.22F。 - ICL7660 工作频率为 10kHz， 外接 10F 电容； 新型 TC7660H 的工作频率提高到 120kHz， 其外接泵电容已降为 1F。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 1F。TC1142 工作频率 200kHz，输出电流 20mA 时，外接泵电容仅为 0.47 F。MAX881R 工作频率 100kHz，输出电流较小，其外接泵电容仅为 0.22F。 - 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. 5. 5. 5. 输出负电压可设定（调整）输出负电压可设定（调整）输出负电压可设定（调整）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， 如图 5 所示。 输出电压 VOUT 与 R1、 R2 的关系为： 图 5：新器件的输出电压可通过电阻设定 - VOUT = -(R2/R1)VREF - 式中 VREF 为外接的基准电压， 如图 5 的参数输出电压 VOUT = -3V。 MAX881R、 ADP3603 ADP3605、AIC1840/1841 等都有这种功能。 6. 6. 6. 6. 两种新型的四倍压器两种新型的四倍压器两种新型的四倍压器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。图 6 是典型应用电路图，其中关闭电源控制端（SHDN）直 接由P 来控制。