充電泵電路介紹


原標(biāo)題:充電泵電路介紹
充電泵電路(Charge Pump)是一種基于電容儲(chǔ)能與開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的DC-DC變換器,無需電感元件即可完成升壓、降壓或反相功能。其核心原理是通過周期性控制開關(guān)陣列,利用電容的充放電特性改變電壓極性或幅值,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、靜態(tài)功耗小等優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于便攜設(shè)備、射頻電路、低功耗芯片供電及模擬信號(hào)處理等領(lǐng)域。
一、基本工作原理
充電泵的核心由開關(guān)陣列、儲(chǔ)能電容(飛電容)和輸出濾波電容構(gòu)成,通過時(shí)鐘信號(hào)控制開關(guān)狀態(tài),交替完成充電與放電過程:
充電階段
開關(guān)陣列將飛電容與輸入電壓源連接,使電容極板充電至輸入電壓值。例如,在升壓電路中,飛電容C1的正極接輸入VIN,負(fù)極接地,電容被充電至VIN。放電階段
開關(guān)切換改變飛電容的連接方式,將其與輸出端串聯(lián)或并聯(lián),釋放存儲(chǔ)的電荷。例如,在升壓電路中,C1的正極改接輸出端,負(fù)極接輸入VIN,此時(shí)輸出端電壓為VIN(電容電壓)疊加VIN(輸入電壓),形成2倍升壓(2VIN)。
通過高頻切換(典型頻率100kHz-1MHz),輸出端經(jīng)濾波電容平滑后,即可得到穩(wěn)定的直流電壓。整個(gè)過程僅依賴電容充放電,避免了電感元件的磁芯損耗與電磁干擾(EMI)。
二、核心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
充電泵根據(jù)功能可分為三種主要拓?fù)洌?/span>
升壓型(Boost)
原理:通過開關(guān)切換使飛電容在充電時(shí)存儲(chǔ)輸入電壓,放電時(shí)與輸入電壓串聯(lián)疊加,輸出電壓為輸入電壓的整數(shù)倍(如2倍、3倍)。
應(yīng)用:驅(qū)動(dòng)OLED屏幕背光、無線充電發(fā)射端、射頻功率放大器(需高電壓)。
反相型(Inverting)
原理:飛電容充電時(shí)一端接輸入正極,另一端接地;放電時(shí)一端接輸入正極,另一端接輸出端,使輸出端積累負(fù)電荷,生成與輸入電壓極性相反的輸出。
應(yīng)用:為運(yùn)算放大器提供負(fù)電源(如+5V→-5V)、音頻電路偏置電壓。
分壓型(Voltage Divider)
原理:利用電容分壓網(wǎng)絡(luò)將輸入電壓降低至一半或更低。例如,輸入5V時(shí),通過兩個(gè)電容串聯(lián)分壓可得到2.5V輸出。
應(yīng)用:為低功耗傳感器供電、ADC參考電壓生成。
三、核心優(yōu)勢(shì)與局限性
優(yōu)勢(shì)
結(jié)構(gòu)簡單:僅需電容與開關(guān)元件(通常集成于芯片內(nèi)部),體積小、成本低,適合高度集成化設(shè)計(jì)。
靜態(tài)功耗低:無電感元件的磁芯損耗,空載時(shí)僅消耗開關(guān)驅(qū)動(dòng)電流(典型值<1μA),延長電池壽命。
響應(yīng)速度快:電容充放電時(shí)間常數(shù)小,可快速跟蹤負(fù)載電流變化,適用于瞬態(tài)負(fù)載場(chǎng)景。
電磁干擾(EMI)低:無電感開關(guān)產(chǎn)生的輻射噪聲,簡化EMI濾波設(shè)計(jì)。
局限性
輸出電流受限:輸出電流過大時(shí),電容充放電時(shí)間延長,導(dǎo)致輸出電壓跌落。典型充電泵芯片輸出電流多在100mA-500mA范圍內(nèi),高電流需求需并聯(lián)多相電路或改用電感型DC-DC。
紋波較大:開關(guān)切換引起的電荷轉(zhuǎn)移會(huì)在輸出端產(chǎn)生紋波(典型值10mV-50mV),需額外濾波電容抑制。
效率波動(dòng):升壓模式下,輸出電壓越高,開關(guān)損耗占比越大,效率可能低于70%;反相模式效率通常優(yōu)于升壓模式。
電容選型敏感:需選擇低等效串聯(lián)電阻(ESR)的陶瓷電容(如X7R/X5R材質(zhì)),否則可能引發(fā)振蕩或效率下降。
四、典型應(yīng)用場(chǎng)景
便攜設(shè)備供電
智能手機(jī)/可穿戴設(shè)備:生成LCD偏置電壓(如-15V)、攝像頭傳感器供電(如6V)或音頻放大器負(fù)電源,替代笨重的電感元件,節(jié)省PCB空間。
無線耳機(jī):通過升壓充電泵將鋰離子電池電壓(3.0V-4.2V)提升至5V,為藍(lán)牙芯片供電。
射頻與模擬電路
射頻功率放大器(PA):將3.3V輸入升壓至6V,提升發(fā)射功率。
運(yùn)算放大器:生成±12V雙電源,擴(kuò)展信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。
LED驅(qū)動(dòng)
背光顯示:通過升壓充電泵驅(qū)動(dòng)多串LED(如3.3V→9V),實(shí)現(xiàn)均勻亮度控制。
手電筒電路:將單節(jié)電池電壓升壓至3V以上,驅(qū)動(dòng)高亮度LED。
存儲(chǔ)器供電
DDR內(nèi)存:生成1.8V/2.5V核心電壓或VTT終端電壓,滿足低功耗與高穩(wěn)定性需求。
五、設(shè)計(jì)優(yōu)化技巧
電容選型
飛電容:選擇耐壓值高于輸入電壓1.5倍的陶瓷電容(如10μF/16V X7R),兼顧容量與低ESR。
輸出電容:并聯(lián)陶瓷電容(0.1μF-10μF)與電解電容(100μF-470μF),抑制高頻紋波與低頻波動(dòng)。
布局優(yōu)化
將高頻回路(開關(guān)管、飛電容、二極管)盡量靠近芯片,縮短走線長度以降低寄生電感。
功率地(PGND)與信號(hào)地(SGND)單點(diǎn)連接,避免大電流干擾基準(zhǔn)電壓。
效率提升
輕載模式:當(dāng)負(fù)載電流低于閾值時(shí),芯片自動(dòng)切換至突發(fā)模式(Burst Mode),減少開關(guān)損耗。
同步整流:用MOSFET替代二極管進(jìn)行整流,降低導(dǎo)通損耗(如從0.5V降至0.05V),提升輕載效率。
充電泵電路以電容為核心,通過開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)靈活的電壓轉(zhuǎn)換,其簡單、高效、低噪聲的特性使其成為低功耗、小體積電源設(shè)計(jì)的理想選擇。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,單芯片充電泵(如MAX1759、LTC3260)已集成軟啟動(dòng)、過流保護(hù)及低功耗模式,進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。
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