无电感器升压与逆变:电荷泵电源

本文论述了电荷泵DC/DC转换器,并介绍了无电感器双极电源电路的设计。

 

设计低压电子设备的第一步是决定采用哪种类型的电源。基本上有两种选项:

 

线性稳压器或DC/DC转换器。如今,由于开关模式电压调节通常要比线性调节更为有效,因此我们通常会选择DC/DC转换器。(如果您想知道为何会添加“通常”一词,请参阅本文“效率问题”一节。)

 

如果您和我一样,在决定采用DC/DC转换器之后,就会立即为庞大的电路、复杂的元件选择以及嘈杂的输出电压等大伤脑筋。但一定要记住的是,典型基于电感器的开关稳压器并不是唯一的选择。一个完全独立的拓扑结构可带来显著的益处,尽管它肯定不适合于每种设计。

 

电感器输出,电容器输入

 

无电感器DC/DC转换器被称为“电荷泵”稳压器,这是由于它们利用开关将电荷周期性地“泵送”到电容器上。假定您会将其比作手动泵送一个慢慢漏气的轮胎。如果泵送速度足够快,轮胎就不会变瘪,即便它还是在持续漏气,而且您也没有持续注入新的空气。

 

泵送的空气就像输入电流,而泄漏的空气就像负载电流,我认为轮胎的压力跟电压有些类似。凭借充足的泵送(记住泵送=定期注入空气),您就可以无限期地保持高轮胎压力并提供负载电流。

 

因此首先需要了解的是,电荷泵稳压器如何利用开关将电流从输入电源周期性地注入到电容器上。打开输入开关时,第二组开关将电容器与稳压器的输出侧相连,以便它可以提供负载电流。另一个需记住的关键点是,电容器的电压无法瞬间改变。因此,如果您将其充电至5V,然后用开关来改变其连接方式,整个电容器的电压(VCAP)仍将是5V。这就是电容器可以轻松地当做倍压器的原因:

 

无电感器升压与逆变:电荷泵电源

倍压器

 

与输入相连时,VCAP为5V。与输出相连时,VCAP(初始)为5V。但需注意的是,输出端的低端与VIN相连而非接地。这意味着VOUT必须高于VIN 5V;即VOUT = 2VIN。

可采用类似的技巧来逆变输入电压:

 

无电感器升压与逆变:电荷泵电源

 

此时较低的输出连接为VOUT,而较高的输出连接接地。打开输入开关并关闭输出开关时,VCAP = 5V,因此输出必须(最初)低于接地5V;即VOUT = -VIN。

 

也可以实现其他输入输出关系,但这两者最为简便直接,此外,如果采用电荷泵稳压器启动,然后利用线性稳压器对输出进行微调,则它们可以满足你的全部需求(这一方法具有降低噪音的其他优势)。

 

优缺点

 

如果您经常阅读我的文章,您可能知道我对基于电感器的开关稳压器存有毫不掩饰的偏见,因此我的第一反应会大张旗鼓地宣传电荷泵稳压器的压倒性优势。然而这也完美地验证了,当我们的结论基于偏见、恐惧或任性的想法而不是合理的推理时,人类有多荒谬。电荷泵方法可有效用于某些应用,但在许多(或大多数?)情况下,会首选基于电感器的转换器。

 

优点

 

与基于等效电感器的稳压器相比,电荷泵稳压器通常会更小、更简单且成本更低。这份优势清单可能不会很长,但请记住,在当今的工程界,尺寸、上市时间和成本是重要因素,有时甚至是决定性因素。

 

缺点

 

电荷泵稳压器无法提供与基于电感器的稳压器同样多的输出电流。我不确定如何对此进行量化,但对需要50-100 mA以上电流的负载而言,基于电感器的转换器似乎是首选。此外,在某些应用中(特别是那些需要高输出电流的应用),电荷泵稳压器的效率会低于基于等效电感器的电路效率(但优于采用LDO所达到的效率)。

 

噪声

 

这两种类型的开关稳压器的噪音均大于线性稳压器。但两者孰优孰劣?我认为,由于影响噪音的因素太多,无法对这一问题给出明确的答案。但我认为基于电感器的稳压器会更差一些,至少是在辐射噪声方面,因为电感器与天线更相似(除非采用屏蔽,但屏蔽电感器成本更高)。如果您了解关于电荷泵转换器与基于电感器的转换器噪声性能的任何对照信息,请在评论中告诉我们。

 

结论

 

我推出这一主题的原因是最近设计了一个5V到±5V的电荷泵电源电路,可将其作为子系统整合到您的下一个模拟或混合信号项目中。我采用来自Linear Tech/Analog Devices的LTC3265:

 

无电感器升压与逆变:电荷泵电源

 

我们会在之后的文章中简要介绍原理图和PCB,并且还会提供性能评估,以便让您了解这种电路的功能。

 

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发布日期:2019年03月03日  所属分类:工业控制