背景信息

充電泵 (或稱開(kāi)關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器) 填補(bǔ)了線性穩(wěn)壓器和基于電感器的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器之間的性能空白，為不喜歡電感器的工程師提供了另一種設(shè)計(jì)選擇。與 LDO 相比，充電泵需要一個(gè)額外的電容器 (“浮動(dòng)”電容器) 才能工作，但一般來(lái)說(shuō)成本僅略有增加，同時(shí)充電泵具有更高的輸出噪聲電平，而且輸出電流能力通常較弱。不過(guò)，充電泵也有一些線性穩(wěn)壓器所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，例如效率更高、由于較高效率工作而產(chǎn)生更好的熱量管理、能夠升壓和降壓或者產(chǎn)生負(fù)電壓。當(dāng)與常規(guī)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相比較時(shí)，充電泵的輸出電流能力較弱，效率較低。但是充電泵更簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，而且不需要電感器。最近在工藝技術(shù)領(lǐng)域取得的進(jìn)步使得能夠相對(duì)于以前各代產(chǎn)品擴(kuò)大了充電泵的輸入電壓范圍。表 1 比較了上述各種拓?fù)涞年P(guān)鍵性能參數(shù)。

表 1：LDO、充電泵和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的性能比較

充電泵 IC 用電容器作為儲(chǔ)能元件來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。例如，考慮圖 1 所示的基本“倍壓器”充電泵電路。該電路采用單個(gè)浮動(dòng)電容器 (圖中的 CFLY) 和 4 個(gè)由兩相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部開(kāi)關(guān) (內(nèi)有“x”的圓圈)，產(chǎn)生比輸入電壓大一倍的輸出電壓。在時(shí)鐘的第一個(gè)相位 (圖中的 θ1)，一對(duì)開(kāi)關(guān)給浮動(dòng)電容器充電，使其達(dá)到輸入電壓 (VIN)。在時(shí)鐘的第二個(gè)相位 (圖中的 θ2)，第三個(gè)開(kāi)關(guān)將該電容器的負(fù)端連接至 VIN，在電容器的正端有效地產(chǎn)生 2 * VIN。第四個(gè)開(kāi)關(guān)將浮動(dòng)電容器的正端連接到輸出電容器。在無(wú)負(fù)載情況下，電荷將在每個(gè)周期中傳送到輸出電容器，直至輸出充電至 2 * VIN 為止，從而產(chǎn)生等于兩倍輸入電壓。當(dāng)存在輸出負(fù)載時(shí)，輸出電容器 (圖中的 COUT) 在第一個(gè)相位上提供負(fù)載電流，而在第二個(gè)相位上，浮動(dòng)電容器提供負(fù)載電流，并給輸出電容器充電。為了傳送電荷，輸出將穩(wěn)定在一個(gè)略低于 2 * VIN 的電壓上。輸出電容器在兩個(gè)時(shí)鐘相位上的充電和放電產(chǎn)生了輸出紋波，該紋波是輸出電容器值、時(shí)鐘頻率和輸出負(fù)載電流的函數(shù)，

圖 1：基本的充電泵倍壓器電路

其他所有充電泵電路拓?fù)涠际且赃@一基本電路為基礎(chǔ)的，只是增加 / 改變開(kāi)關(guān)和電容器以及時(shí)鐘相位數(shù)量而已。視控制器和電路拓?fù)涞牟煌�而不同，充電泵可以產(chǎn)生任意大小的輸出電壓，例如 2 倍、3 倍于輸入電壓的輸出電壓，等于輸入電壓一半的輸出電壓、負(fù)輸出電壓，與輸入電壓成分?jǐn)?shù)比例的輸出電壓，如等于輸入電壓 3/2、4/3、2/3 的輸出電壓。在接近理想充電比時(shí)，充電泵的效率可以非常高。在上述的倍壓器例子中，理想情況下，輸入電源電流等于輸出負(fù)載電流的兩倍，輸入功率等于輸出功率�，F(xiàn)實(shí)情況是，由于靜態(tài)工作電流和其他損耗，效率略低于理想情況。充電泵用途廣泛，可用于多種應(yīng)用和細(xì)分市場(chǎng)。充電泵由于采用了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方法而更加堅(jiān)固，為應(yīng)用于嚴(yán)酷的工業(yè)和汽車(chē)環(huán)境創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

汽車(chē)和工業(yè)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

為汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)極富挑戰(zhàn)性，原因有很多，包括寬工作溫度范圍、嚴(yán)格的 EMI (電磁干擾) 和瞬態(tài)要求以及汽車(chē) OEM (原始設(shè)備制造商) 所要求的高質(zhì)量。汽車(chē)儀表板內(nèi)非常擁擠，塞滿了電子產(chǎn)品。雪上加霜的是，還有從藍(lán)牙到基于手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接等各種無(wú)線系統(tǒng)。因此，當(dāng)務(wù)之急是，給這種散熱受限的環(huán)境增加任何組件，都要注意不能產(chǎn)生過(guò)多的熱量或太大的 EMI。對(duì)于輻射型和傳導(dǎo)型電磁干擾、抗輻射和傳導(dǎo)性或輻射和傳導(dǎo)敏感性以及靜電放電 (ESD)，都有嚴(yán)格的電磁兼容性 (EMC) 要求。能否滿足這些要求影響到 IC 設(shè)計(jì)的多種性能。充電泵 (無(wú)磁性元件，無(wú)電感器) 的低 EMI 和低噪聲輸出使其成為理想選擇。充電泵一般比電感性開(kāi)關(guān)的 EMI 低，因?yàn)楦��?dòng)電容器的連接線可以最大限度地縮短，以減輕容性耦合和天線效應(yīng)。電感器往往比電容器大，其作用如同天線，尤其是未屏蔽時(shí)。在現(xiàn)實(shí)情況下，與典型數(shù)字輸出相比，浮動(dòng)電容器輸出根本不會(huì)產(chǎn)生更高的 EMI。實(shí)際上，它們產(chǎn)生的 EMI 反而更低，因?yàn)殡娐钒遄呔�被盡量縮短了。