使用電荷泵驅(qū)動(dòng)電路-第 3 部分

我工作的產(chǎn)品線為 LCD 和 AMOLED 顯示器開發(fā)多軌電源。此類電源通常具有一個(gè)或多個(gè)電感轉(zhuǎn)換器，外加一對(duì)電荷泵以產(chǎn)生額外的低功率輸出電壓。電荷泵非常適合這些應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)簡(jiǎn)單且便宜。

圖 1 顯示了一個(gè)電荷泵，它使用升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)飛電容。為避免中斷升壓轉(zhuǎn)換器操作，最好不要過多地加載開關(guān)節(jié)點(diǎn)。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是確保電荷泵的輸出功率小于升壓轉(zhuǎn)換器輸出功率的 10% 到 20%。

圖 1：從升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電荷泵

在該電路中，升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)矩形驅(qū)動(dòng)波形，其占空比 D 大約等于，其中 V I是升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。二極管 D1 和 D2 構(gòu)成一個(gè)單刀雙擲 (SPDT) 開關(guān)。

該電路的輸出電壓由公式 1 給出：

 (1)

其中，V F是二極管的正向電壓，I O是輸出電流，R O是電荷泵的輸出電阻。

我在上一篇文章中描述了當(dāng)飛跨電容大于某個(gè)臨界值時(shí)R O如何達(dá)到最小值，圖 2 再次顯示。使用開關(guān)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電荷泵時(shí)的主要區(qū)別在于占空比DC/DC 轉(zhuǎn)換器的周期對(duì) R O (min) 的值有影響，只要 D 遠(yuǎn)離 0.5，該值就會(huì)增加（見圖 3）。

圖 2：輸出阻抗與飛電容

圖 3：占空比對(duì) R O (min)的影響

出于所有實(shí)際目的，開關(guān)節(jié)點(diǎn)的輸出阻抗接近于零。哪個(gè)好，對(duì)吧？實(shí)際上并非如此，因?yàn)闃O低的驅(qū)動(dòng)阻抗會(huì)導(dǎo)致高峰值電流流入開關(guān)節(jié)點(diǎn)，這有時(shí)會(huì)破壞升壓轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行。在啟動(dòng)期間尤其如此，此時(shí)飛跨電容器必須在從 0V 到接近 15V 的多個(gè)周期內(nèi)充電。當(dāng)然，您也可以同樣出色地使用開關(guān)節(jié)點(diǎn)來產(chǎn)生負(fù)輸出電壓（參見圖 4）。

圖 4：驅(qū)動(dòng)反相電荷泵的升壓轉(zhuǎn)換器

該電路的數(shù)學(xué)運(yùn)算類似于倍壓器情況：

又在哪里 

有多種方法可以調(diào)節(jié)分立電荷泵的輸出電壓，但目前最簡(jiǎn)單的方法是讓電荷泵開環(huán)運(yùn)行并簡(jiǎn)單地使用線性穩(wěn)壓器進(jìn)行后調(diào)節(jié)。使用這種方法不會(huì)影響效率——除了最復(fù)雜的電荷泵調(diào)節(jié)技術(shù)之外，其他所有技術(shù)都會(huì)燒掉未使用的功率——而且更容易穩(wěn)定。圖 5 所示的替代電路很有吸引力，因?yàn)槟梢允褂谜蛘{(diào)節(jié)電路來控制負(fù)輸出電壓，但以這種方式直接調(diào)節(jié)電荷泵的輸出電壓通常會(huì)導(dǎo)致電荷泵的控制回路與升壓轉(zhuǎn)換器的控制回路“對(duì)抗”控制回路。解決這個(gè)問題的一種方法是確保電荷泵的交叉頻率比升壓轉(zhuǎn)換器的低得多（例如，至少低五倍）。

圖 5 – 調(diào)節(jié)反相電荷泵

本文中的示例顯示了從升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的電荷泵，但您當(dāng)然可以使用其他轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹Ｉ龎恨D(zhuǎn)換器中開關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要優(yōu)點(diǎn)是其幅度是恒定的。在使用降壓或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)情況并非如此，其中幅度隨輸入電壓而變化。當(dāng)然，如果您使用穩(wěn)壓輸入電壓運(yùn)行，則無(wú)論您使用哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都不會(huì)出現(xiàn)此問題。

正確的電荷泵操作依賴于永久可用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如果電荷泵在低輸出電流下使用脈沖頻率模式 (PFM) 以提高效率的轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，則無(wú)法保證這一點(diǎn)。在 PFM 操作期間，DC/DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)突發(fā)切換；在開關(guān)脈沖之間的暫停期間，電荷泵的輸出電壓將衰減，因?yàn)樗妮敵鲭娙萜鞅仨毺峁┧械妮敵鲭娏?。如果?qū)動(dòng)電荷泵的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器始終在脈寬調(diào)制 (PWM) 模式下運(yùn)行會(huì)更好。

類似地，如果升壓轉(zhuǎn)換器電感電流不連續(xù)，電荷泵的正確運(yùn)行可能會(huì)受到干擾，在這種情況下，電荷泵的驅(qū)動(dòng)信號(hào)就會(huì)消失。如果升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流足夠高，電感電流可能會(huì)保持連續(xù)?；蛘撸绻D(zhuǎn)換器使用同步整流，則電感器電流可能會(huì)保持連續(xù)，即使在低輸出電流時(shí)也是如此。（但請(qǐng)注意：一些同步轉(zhuǎn)換器，尤其是那些針對(duì)低功率應(yīng)用的同步轉(zhuǎn)換器，會(huì)在電感電流為零時(shí)關(guān)閉同步整流器并進(jìn)入斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)）。

在本系列的最后一部分中，我將介紹多級(jí)電荷泵。