制備超低靜態(tài)電流電荷泵
[導(dǎo)讀]電池供電的便攜式設(shè)備在大部分使用壽命內(nèi)常常處在備用狀態(tài)。
電池供電的便攜式設(shè)備在大部分使用壽命內(nèi)常常處在備用狀態(tài)。在這種備用狀態(tài)下，內(nèi)部升壓變換器的靜態(tài)電流仍然不斷消耗電池能量。備用期間的靜態(tài)電流可能比實(shí)際的負(fù)載電流還要大。雖然幾種基于電感器的變換器的最大靜態(tài)電流不到10mA，但是，設(shè)計(jì)師通常寧愿或要求在本質(zhì)上必須安全的、對(duì)成本很敏感的設(shè)計(jì)中使用一種穩(wěn)壓電荷泵。具有至少10 mA輸出電流能力的現(xiàn)成穩(wěn)壓電荷泵，其典型最小靜態(tài)電流為50~100mA。如果這樣的靜態(tài)電流電平無法接受，你就需要增加電路來遠(yuǎn)程監(jiān)控已穩(wěn)壓的電壓并使電荷泵在進(jìn)入和脫離關(guān)閉狀態(tài)之間來回切換，從而降低總的平均電流。不過，這種方法可能無法達(dá)到所期望的低于10mA的靜態(tài)電流電平。低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)、超低電流比較器和超低電流基準(zhǔn)的出現(xiàn)，使得最大靜態(tài)電流接近7mA的電荷泵成為可能（圖1）。
圖1，這一電荷泵電路利用模擬開關(guān)來獲得超低靜態(tài)電流。
電荷泵利用交流耦合技術(shù)將能量從轉(zhuǎn)移電容器傳送到儲(chǔ)能電容器。轉(zhuǎn)移電容器首先通過模擬開關(guān)充電到VBATT電平，然后其它模擬開關(guān)將能量傳送到接在VOUT上的儲(chǔ)能電容器。接著，轉(zhuǎn)移電容器再次充電，并周而復(fù)始進(jìn)行下去。由于理想模擬開關(guān)的損耗為零，VOUT電平就等于VBATT的兩倍。但是，不出所料，模擬開關(guān)的有限導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的輸出電平是隨負(fù)載電流下降而下降的。圖1所示的基本穩(wěn)壓電荷泵包含一個(gè)振蕩器、幾個(gè)模擬開關(guān)、一個(gè)電壓基準(zhǔn)和一個(gè)比較器。比較器起到電壓監(jiān)控器和振蕩器的作用。當(dāng)電路在穩(wěn)壓時(shí)，比較器的輸出為低電平，從而使NC開關(guān)關(guān)閉，并使C1充電至VBATT。當(dāng)VOUT的電壓下降到低于輸出穩(wěn)壓閾值（本例中為3.3V）時(shí)，比較器的輸出變?yōu)楦唠娖?。NO（常開）開關(guān)關(guān)閉，從而將C1的電荷轉(zhuǎn)移到C2。這種循環(huán)會(huì)反復(fù)進(jìn)行下去，直到VOUT再次獲得穩(wěn)壓狀態(tài)。
電阻器R3~R5為振蕩提供了必要的遲滯。這3只電阻器的阻值為1 MΩ，能產(chǎn)生可觀的遲滯，并使BATT的載荷降到最低。當(dāng)比較器輸出改變狀態(tài)時(shí)，反饋電阻器R5會(huì)改變你加到比較器的正輸入端的閾值，由此產(chǎn)生遲滯。當(dāng)電阻值如圖所示，基準(zhǔn)值為IC1的標(biāo)稱值（1.182V），VBATT=3V時(shí)，VIN+閾值就在VIN+(低)=0.39V和VIN+(高)=1.39V兩個(gè)近似值之間擺動(dòng)。當(dāng)電路正在穩(wěn)壓時(shí)，VIN-略微超過VIN+，比較器輸出為低電平，R1-R2分壓器檢測(cè)VOUT的電壓，而VIN+的閾值很低（0.39V）。在VIN+為0.39V的情況下，你可以根據(jù)公式VIN+=VOUT[R2/(R1+R2)]計(jì)算出R1和R2的阻值。為了使VBATT的載荷降到最低，R1+R2的電阻值應(yīng)該大于1 MΩ。如果VOUT=3.3V，而R2為2.2 MΩ，則R1為301 kΩ。電容器C3連接到比較器的VIN-輸入端。C3與R1和R2一起按照下面的簡化關(guān)系設(shè)定振蕩頻率：tDISCHARGE=tLOW =-(R2C3)ln[(VIN+(LOW))/(VIN+HIGH))]；tCHARGE=tHIGH=-(R2C3)ln[1-(VIN+(HIGH)-VIN+(LOW))/(VBATT-VIN+(LOW)]；以及fOSC=1/tPERIOD，其中tPERIOD=tLOW+tHIGH。
為了使效率最高并降低比較器轉(zhuǎn)換速率的影響，你應(yīng)該設(shè)定一個(gè)比較低的頻率。選擇C3=470 pF，就可得到下列結(jié)果：tLOW=178ms，tHIGH=68ms；所以，fOSC=4 kHz。選擇C1和C2的電容值，為的是達(dá)到所期望的負(fù)載電流和波紋電壓。就本應(yīng)用（ILOAD=10 mA）而言，C1=10mF。為了計(jì)算C2的電容值，要根據(jù)所期望的波紋電壓進(jìn)行一次近似：C2=(ILOAD×tLOW)/VRIPPLE。在ILOAD=10mA和VRIPPLE=150mV的情況下，C2=12mF。
在上述元件值的情況下，本電路吸收的最大靜態(tài)電流為6.9mA，比現(xiàn)成的電荷泵的小得多。你還可以通過提高電阻值來進(jìn)一步降低靜態(tài)電流，但是，由于IC2的最大靜態(tài)電流為3.8mA，占總靜態(tài)電流的大部分，所以效果非常小。本電路能使你實(shí)現(xiàn)一個(gè)超低靜態(tài)電路穩(wěn)壓電荷泵。在現(xiàn)成電荷泵買到之前，它為尋求不使用電感器實(shí)現(xiàn)低成本電荷泵的設(shè)計(jì)師提供了一種替代品。
圖1，這一電荷泵電路利用模擬開關(guān)來獲得超低靜態(tài)電流。
電荷泵利用交流耦合技術(shù)將能量從轉(zhuǎn)移電容器傳送到儲(chǔ)能電容器。轉(zhuǎn)移電容器首先通過模擬開關(guān)充電到VBATT電平，然后其它模擬開關(guān)將能量傳送到接在VOUT上的儲(chǔ)能電容器。接著，轉(zhuǎn)移電容器再次充電，并周而復(fù)始進(jìn)行下去。由于理想模擬開關(guān)的損耗為零，VOUT電平就等于VBATT的兩倍。但是，不出所料，模擬開關(guān)的有限導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的輸出電平是隨負(fù)載電流下降而下降的。圖1所示的基本穩(wěn)壓電荷泵包含一個(gè)振蕩器、幾個(gè)模擬開關(guān)、一個(gè)電壓基準(zhǔn)和一個(gè)比較器。比較器起到電壓監(jiān)控器和振蕩器的作用。當(dāng)電路在穩(wěn)壓時(shí)，比較器的輸出為低電平，從而使NC開關(guān)關(guān)閉，并使C1充電至VBATT。當(dāng)VOUT的電壓下降到低于輸出穩(wěn)壓閾值（本例中為3.3V）時(shí)，比較器的輸出變?yōu)楦唠娖?。NO（常開）開關(guān)關(guān)閉，從而將C1的電荷轉(zhuǎn)移到C2。這種循環(huán)會(huì)反復(fù)進(jìn)行下去，直到VOUT再次獲得穩(wěn)壓狀態(tài)。
電阻器R3~R5為振蕩提供了必要的遲滯。這3只電阻器的阻值為1 MΩ，能產(chǎn)生可觀的遲滯，并使BATT的載荷降到最低。當(dāng)比較器輸出改變狀態(tài)時(shí)，反饋電阻器R5會(huì)改變你加到比較器的正輸入端的閾值，由此產(chǎn)生遲滯。當(dāng)電阻值如圖所示，基準(zhǔn)值為IC1的標(biāo)稱值（1.182V），VBATT=3V時(shí)，VIN+閾值就在VIN+(低)=0.39V和VIN+(高)=1.39V兩個(gè)近似值之間擺動(dòng)。當(dāng)電路正在穩(wěn)壓時(shí)，VIN-略微超過VIN+，比較器輸出為低電平，R1-R2分壓器檢測(cè)VOUT的電壓，而VIN+的閾值很低（0.39V）。在VIN+為0.39V的情況下，你可以根據(jù)公式VIN+=VOUT[R2/(R1+R2)]計(jì)算出R1和R2的阻值。為了使VBATT的載荷降到最低，R1+R2的電阻值應(yīng)該大于1 MΩ。如果VOUT=3.3V，而R2為2.2 MΩ，則R1為301 kΩ。電容器C3連接到比較器的VIN-輸入端。C3與R1和R2一起按照下面的簡化關(guān)系設(shè)定振蕩頻率：tDISCHARGE=tLOW =-(R2C3)ln[(VIN+(LOW))/(VIN+HIGH))]；tCHARGE=tHIGH=-(R2C3)ln[1-(VIN+(HIGH)-VIN+(LOW))/(VBATT-VIN+(LOW)]；以及fOSC=1/tPERIOD，其中tPERIOD=tLOW+tHIGH。
為了使效率最高并降低比較器轉(zhuǎn)換速率的影響，你應(yīng)該設(shè)定一個(gè)比較低的頻率。選擇C3=470 pF，就可得到下列結(jié)果：tLOW=178ms，tHIGH=68ms；所以，fOSC=4 kHz。選擇C1和C2的電容值，為的是達(dá)到所期望的負(fù)載電流和波紋電壓。就本應(yīng)用（ILOAD=10 mA）而言，C1=10mF。為了計(jì)算C2的電容值，要根據(jù)所期望的波紋電壓進(jìn)行一次近似：C2=(ILOAD×tLOW)/VRIPPLE。在ILOAD=10mA和VRIPPLE=150mV的情況下，C2=12mF。
在上述元件值的情況下，本電路吸收的最大靜態(tài)電流為6.9mA，比現(xiàn)成的電荷泵的小得多。你還可以通過提高電阻值來進(jìn)一步降低靜態(tài)電流，但是，由于IC2的最大靜態(tài)電流為3.8mA，占總靜態(tài)電流的大部分，所以效果非常小。本電路能使你實(shí)現(xiàn)一個(gè)超低靜態(tài)電路穩(wěn)壓電荷泵。在現(xiàn)成電荷泵買到之前，它為尋求不使用電感器實(shí)現(xiàn)低成本電荷泵的設(shè)計(jì)師提供了一種替代品。
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