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摘录的:电荷泵工作原理

 巴渭居士 2014-04-12

    一般以输出电阻Ro来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到Io时,输出电压变化为△V,则输出电阻Ro 为:
Ro = △V/Io
     输出电阻Ro 越小,输出电压变化越小,输出特性越好。

如何选择电荷泵
1、效率优先,兼顾尺寸
    如果需要兼顾效率和占用的 PCB 面积大小时,可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中,效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实现 90% 的峰值效率,更重要的是外围只需少数几个电容器,而不需要功率电感器、续流二极管及 MOSFET。这一点对于降低自身功耗,减少尺寸、BOM 材料清单和成本等至关重要。
2、输出电流的局限性
    电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于 300mA,输出电压低于 6V。多用于体积受限、效率要求较高,且具有低成本的场合。换言之,对于 300mA 以下的输出电流和 90% 左右的转换效率,无电感型电荷泵 DC/DC 转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而,如果要求输出负载电流、输出电压较大,那么应使用电感开关转换器,同步整流等 DC/DC 转换拓扑。
3、较低的输出纹波和噪声
    大多数的电荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路,工作在相位差为 180 度的情形,这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波,从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且,与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比,电荷泵产生的噪声更低些。对于 RF 或其它低噪声应用,这一点使其无疑更具竞争优势。

电荷泵选用要点
    作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素:

  • 转换效率要高
    无调整电容式电荷泵 90%
    可调整电容式电荷泵 85%
    开关式调整器 83%
  • 静态电流要小,可以更省电;
  • 输入电压要低,尽可能利用电池的潜能;
  • 噪音要小,对手机的整体电路无干扰;
  • 功能集成度要高,提高单位面积的使用效率,使手机设计更小巧;
  • 足够的输出调整能力,电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫;
  • 封装尺寸小是手持产品的普遍要求;
  • 安装成本低,包括周边电路占PCB 板面积小,走线少而简单;
  • 具有关闭控制端,可在长时间待机状态下关闭电荷泵,使供电电流消耗近乎为0。

新型电荷泵变换器的特点
    80 年代末90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以ICL7660为基础开发出一些改进型产品,如MAXIM 公司的MAX1044、Telcom 公司的TC1044S、TC7660 和LTC 公司的LTC1044/7660等。这些改进型器件功能与ICL7660相同,性能上有改进,管脚排列与ICL7660完全相同,可以互换。
     这一类器件的缺点是:输出电流小;输出电阻大;振荡器工作频率低,使外接电容容量大;静态电流大。
     90 年代以后,随着半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展,各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器,它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进,并开发出一些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为:
1. 提高输出电流及降低输出电阻
     早期产品ICL7660在输出40mA时,使-5V 输出电压降为-3V(相差2V),而新型MAX660输出电流可达100mA,其输出电阻Ro仅为6.5Ω,MAX660在输出40mA时,-5V输出电压为-4.74V(相差仅0.26V),即输出特性有较大的提高。MAX682 的输出电流可达250mA,并且在器件内部增加了稳压电路,即使在250mA 输出时,其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品还有AD 公司的ADM8660、LT 公司的LT1054 等。
2. 减小功耗
     为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔,要尽可能减小器件的静态电流。近年来,开发出一些微功耗的新产品。ICL7660 的静态电流典型值为170μA,新产品TCM828的静态电流典型值为50μA,MAX1673 的静态电流典型值仅为35μA。另外,为更进一步减小电路的功耗,已开发出能关闭负电源的功能,使器件耗电降到1μA 以下,另外关闭负电源后使部分电路不工作而进一步达到减少功耗的目的。例如,MAX662A、AIC1841 两器件都有关闭功能,在关闭状态时耗电< 1μA,几乎可忽略不计。这一类器件还有TC1121、TC1219、ADM660 及ADM8828等。
3. 扩大输入电压范围
      ICL7660电荷泵电路的输入电压范围为1.5~10V,为了满足部分电路对更高负压的需要,已开发出输入电压可达18及20V的新产品,即可转换成-18 或-20V的负电压。例如,TC962、TC7662A 的输出电压范围为3~18V,ICL7662、Si7661 的输入电压可达20V。
4. 减少占印板的面积
     减少电荷泵变换器占印板面积有两种措施:采用贴片或小尺寸封装IC,新产品采用SO封装、μMAX封装及开发出尺寸更小的SOT-23封装;其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时,电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关:工作频率越高,电容容量越小。工作频率在几kHz到几十kHz时,往往需要外接10μF的泵电容;新型器件工作频率已提高到几百kHz,个别的甚至到1MHz,其外接泵电容容量可降到1~0.22μF。
     ICL7660 工作频率为10kHz,外接10μF电容;新型TC7660H 的工作频率提高到120kHz,其外接泵电容已降为1μF。MAX1680/1681 的工作频率高达1MHz,在输出电流为125mA 时,外接泵电容仅为1μF。TC1142 工作频率200kHz,输出电流20mA 时,外接泵电容仅为0.47μF。MAX881R 工作频率100kHz,输出电流较小,其外接泵电容仅为0.22μF。
     若采用SOT-23 封装的器件及贴片式电容,则整个电荷泵变换器的面积可做得很小。
5. 输出负电压可设定(调整)
    一般的电荷泵变换器的输出负电压VOUT = -VIN,是不可调整的,但新型产品MAX1673可外接两个电阻R1、R2来设定输出负电压。输出电压VOUT 与R1、R2 的关系为:
VOUT = -(R2/R1)VREF
     式中VREF为外接的基准电压。MAX881R、ADP3603~ADP3605、AIC1840/1841 等都有这种功能。
6. 两种新型的四倍压器件
     MAX662A是一种输入5V 电压输出12V 带稳压的电荷泵变换器,输出电流可达30mA,它用于闪速存储器编程电源(Flash Memory Programming Supply)。该器件实际上是经两次倍压(四倍压)后其经稳压后输出。
     LTC1502 是另一种工作原理与MAX662A 相同的四倍压器件(它是LT 公司1999 年一季度推出的新产品)。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出3.3V 稳定的电压。另外,它最低的输入电压为0.9V,可充分利用电池的能量。输出电压精度为3.3V±4%,输出电流为10mA。该器件静态电流仅为40μA,并有关闭电源控制,外围元件仅5 个电容,若采用贴片式电容,整个电源面积小于0.125 平方英寸。

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