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如何利用Charge Pump (電荷泵) 升壓電路滿足設計需求

發(fā)布時間:2023-09-13 來源:MPS 責任編輯:wenwei

【導讀】大多數工程師都很熟悉可以將輸出電壓 (VOUT) 提升至高于輸入電壓 (VIN) 的升壓變換器,也熟悉升降壓變換器和單端原邊電感變換器 (SEPIC),它們可以確保 VOUT 根據接收設備的需求高于、低于或等于 VIN


Charge Pump(電荷泵)變換器是一種利用電容來升高或降低電壓的 DC/DC 變換器。這種變換器通常占位面積較小,卻具有較高的效率以及令人難以置信的性價比。它們常被用于薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)的背光和光學模塊,也可用于驅動降壓電路中的上晶體管(N 溝道 MOSFET)


電荷泵充當倍壓器


電荷泵變換器的傳統(tǒng)用法是用作倍壓器,它通過 VIN 為電容充電,然后切換電荷以確保 VOUT 恰好是 VIN 的兩倍。其基本原理很簡單,即對電容進行充電和放電,然后利用電容可以存儲電荷的原理,將這些電荷與充電電路隔離,并通過放電電路進行傳遞。


在充電階段,四個開關中的兩個開關(Q1 和 Q4)導通,另外兩個開關(Q2 和 Q3)則關斷;這讓輸入為電容 (C1) 充電(見圖 1)。


然后是轉換階段,Q1 和 Q4 關斷,而 Q2 和 Q3 則導通,因為電容兩端的電壓不會立即變化。C1 向輸出電容 (COUT) 放電,電荷的傳輸通過開關變換實現,最后 VOUT = 2 x VIN。 


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圖1: 倍壓器原理圖


電荷泵應用


下面我們將描述電荷泵變換器的典型應用。


電荷泵在 Buck 降壓電路上管 MOSFET 中的應用


以降壓電路為例。為了驅動上管 MOSFET (HS-FET) 并確保柵源電壓 (VGS) 超過閾值電壓 (VTH),一般需要自舉電路來升高柵極電壓。


如圖 2 所示,C1 在一個開關周期內完成充電和放電過程,從而提高了柵極電壓。電荷泵不僅可以被降壓變換器的自舉電路用來驅動 HS-FET,還可用于驅動半橋和全橋應用中的HS-FET。 


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圖2: 電荷泵被用于驅動 HS-FET


電荷泵在 Boost 升壓電路中的應用


在升壓應用中,升壓變換器的最大 VOUT 可能無法滿足某些器件的電壓規(guī)格,例如 TFT-LCD 中的 VP/VN 電源。假設一個常用于 TFT 偏置電源的變換器,如果其輸出超過 25V,但 SW 引腳僅支持 25V 最大電壓,則輸出通常會受限。


當然,工程師們也可以采用耐壓更高的 IC,但這些 IC 通常性價比較低。在這種情況下,我們可以添加電荷泵電路(見圖3)。只需添加一些額外組件,升壓變換器的新輸出 (VOUT2) 就可以是典型輸出電壓 (VOUT1) 的兩倍。圖 3 顯示了一個利用 MP1542 (700kHz/1.3MHz 升壓變換器)實現的電荷泵。 


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圖3: 升壓電路中的電荷泵


基于圖 3 得到的簡化電路圖如圖 4 所示。 


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圖4: 升壓電路中的簡化電荷泵


圖 5 顯示了整個充電流程。當 Q1 導通時,C1 將能量傳遞給 C2,C2 電壓升高,直至 V1 等于 V2。當 Q1 關斷時,第二個電容 (C2) 將能量傳遞給輸出,最終電壓 (V3) 等于 V2 + V1,或 2 倍的 V1。 


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圖5: 簡化電荷泵的功能框圖


利用電荷泵實現負壓應用


電荷泵還常被用于同時具有正壓輸出和負壓輸出的應用,因其所需外圍組件較少,而且占用空間也較小。


在圖 6 所示的電路中,內部邏輯電路僅需 4 個 MOSFET,即可使 VOUT 等于負 VIN。該電路無需外部電感,這降低了總體成本并簡化了設計。這種緊湊的薄型解決方案可用于多種應用,包括光學模塊、射頻放大器和傳感器電源。 


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圖6: 負壓電路中的電荷泵


表 1 對傳統(tǒng)感性 DC/DC 變換器和容性 DC/DC 變換器之間的差異進行了總結。


表1: 感性 DC/DC 變換器和容性 DC/DC 變換器的比較

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結語


電荷泵變換器是能夠有效將輸入翻倍輸出的高性價比解決方案。設計人員應根據應用需求來選擇合適的 DC/DC 變換器。MPS 提供了多種電荷泵變換器、升壓變換器和升降壓變換器選擇,可滿足任何設計規(guī)范。



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