電荷泵：一種經(jīng)常被忽視的 DCDC 轉(zhuǎn)換方法

如果電子設(shè)計(jì)中的所有設(shè)備都使用相同的電源電壓運(yùn)行，會(huì)不會(huì)容易得多？不幸的是，并非所有功能都具有相同的電源電壓要求，因此需要在給定的設(shè)備設(shè)計(jì)中生成多個(gè)電源軌。您可能需要多個(gè)電源電壓，即使對(duì)于像高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器這樣的 IC 也是如此。

如果電壓軌不需要特別高效、需要低負(fù)載電流或只需最低成本，那么簡(jiǎn)單的低壓差穩(wěn)壓器 ( LDO ) 通常是最佳方法。

如果電壓軌需要非常高的負(fù)載電流（例如，大于幾百毫安），或者需要低輸出紋波，請(qǐng)考慮使用高效的電感解決方案。

但對(duì)于需要相對(duì)較低的負(fù)載電流和高于 LDO 的效率以及成本/尺寸限制的解決方案，電荷泵 DC/DC 器件值得考慮。

圖 1：電荷泵 (12mm 2 ) 與電感解決方案 (29mm 2 ) 的示例： 150mA 時(shí)V IN = 3.0V 至 4.5V 和 V OUT = 5V

電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器是一種DC/DC變換器，它將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負(fù)電壓，即VOUT= -VIN。另外，它也可以把輸出電壓轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移的原理構(gòu)成，所以這種電壓反轉(zhuǎn)器電路也稱為電荷泵變換器（Charge Pump Converter）。

電荷泵的應(yīng)用

電荷泵轉(zhuǎn)換器常用于倍壓或反壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換。電荷泵電路采用電容作為儲(chǔ)能和傳遞能量的中介，隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，新型電荷泵電路的開關(guān)頻率可達(dá)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(zhuǎn)器，即輸入正電壓，輸出為負(fù)電壓，電子產(chǎn)品中，往往需要正負(fù)電源或幾種不同電壓供電，對(duì)電池供電的便攜式產(chǎn)品來說，增加電池?cái)?shù)量，必然影響產(chǎn)品的體積及重量。采用電壓反轉(zhuǎn)式電路可以在便攜式產(chǎn)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(zhuǎn)電路，但電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器僅需外接兩個(gè)電容，電路最簡(jiǎn)單，尺寸小，并且轉(zhuǎn)換效率高、耗電少，所以它獲得了極其廣泛的應(yīng)用。

目前不少集成電路采用單電源工作，簡(jiǎn)化了電源，但仍有不少電路需要正負(fù)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(yùn)算放大器電路、電壓比較器電路等等。自INTERSIL公司開發(fā)出ICL7660電壓反轉(zhuǎn)器IC后，用它來獲得負(fù)電源十分簡(jiǎn)單，90 年代后又開發(fā)出帶穩(wěn)壓的電壓反轉(zhuǎn)電路，使負(fù)電源性能更為完善。對(duì)采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品來說，采用電荷泵變換器來獲得負(fù)電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數(shù)量、減少產(chǎn)品的體積、重量，并且在減少能耗（延長(zhǎng)電池壽命）方面起到極大的作用?，F(xiàn)在的電荷泵可以輸出高達(dá)250mA的電流，效率達(dá)到75%(平均值)。

電荷泵 DC/DC 器件使您能夠從給定的輸入電壓生成不同的輸出電壓（升壓/降壓/反相）。這些器件只需要一個(gè)飛跨電容來支持電荷泵本身，并為輸入和輸出電壓引腳提供去耦電容。上面的圖 1 突出顯示了一個(gè)示例，其中需要 5V Vout 和 150mA 負(fù)載的應(yīng)用在電荷泵升壓和電感升壓之間進(jìn)行比較——解決方案尺寸節(jié)省超過 30%。

表 1 總結(jié)了不同的電壓轉(zhuǎn)換方法。

表 1：DCDC 轉(zhuǎn)換器方法之間的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)比較 

如果您需要為系統(tǒng)中的特定低負(fù)載設(shè)備提供單個(gè)特殊電壓軌，則電荷泵解決方案會(huì)很有用。在這樣的系統(tǒng)中，考慮到更高的負(fù)載要求，電感式 DC/DC 通常支持整個(gè)系統(tǒng)軌。開關(guān)電容 DC/DC 產(chǎn)生特定的輕負(fù)載軌——無論是升壓、降壓還是來自主系統(tǒng)軌的反相電壓——并且在小型解決方案中僅使用電容器即可實(shí)現(xiàn)合理的效率尺寸和非常具有成本效益。