電荷泵通常是為需要低功耗和低成本的應用供電的最佳選擇。本應用筆記討論了集成電荷泵，并解釋了如何計算電荷泵的功耗。

系統(tǒng)工程中一個熟悉的問題是主電源無法滿足其功率要求的子系統(tǒng)。在這種情況下，可用的電源軌不能直接使用，直接使用電池電壓（如果可用）也并不總是一個選項。空間不足可能會阻止包含最佳數(shù)量的電池，或者放電電池的電壓下降可能不適用于應用。

電壓轉換器可以產(chǎn)生所需的電壓電平，而電荷泵通常是需要低功耗、簡單性和低成本組合的應用的最佳選擇。電荷泵易于使用，因為它們不需要昂貴的電感器或額外的半導體。

電荷泵—概述

電荷泵電壓轉換器使用陶瓷或電解電容器來存儲和傳輸能量。雖然電容器比其他類型的DC-DC轉換器中使用的線圈更常見且便宜得多，但電容器不能突然改變其電壓電平。不斷變化的電容電壓始終服從指數(shù)函數(shù)，這造成了電感式電壓轉換器可以避免的限制。然而，電感式電壓轉換器更昂貴。

容性電壓轉換是通過周期性切換電容器來實現(xiàn)的。無源二極管可以在最簡單的情況下執(zhí)行此開關功能，前提是交流電壓可用。否則，直流電壓電平需要使用有源開關，該開關首先通過將電容器連接到電壓源上為電容器充電，然后以產(chǎn)生不同電壓電平的方式將其連接到輸出。

使用這種原理的常見集成電路是ICL7660，一些人認為它是經(jīng)典電荷泵的原型。ICL7660 集成了開關和振蕩器，因此開關 S1、S3 和 S2、S4 交替工作（圖 1）。此處顯示的配置反相輸入電壓。隨著外部連接的微小變化，它也可以使輸入電壓加倍或分頻。

圖1.這些基本組件說明了電荷泵操作的機制。

閉合 S1 和 S3 在前半個周期內(nèi)將跨接電容器 C1 充電至 V+。在下半場，S1和S3打開，S2和S4關閉。此操作將C1的正極端子接地，并將負極端子連接到V外.然后C1與儲能電容C2并聯(lián)。如果 C2 兩端的電壓小于 C1 兩端的電壓，則電荷從 C1 流向 C2，直到 C2 兩端的電壓達到 -（V+）。

集成的固定頻率振蕩器驅動周期性開關。該電路沒有輸出調(diào)節(jié)，開關頻率在所有負載下保持恒定。因此，輸出電壓變化很大程度上取決于負載。空載時，輸出電壓對應于負輸入電壓：V外= -（V+）。隨著負載的增加，V外減少。因此，ICL7660的輸出電流被限制在約10mA。這部分是由于它的振蕩器頻率低，部分原因是其集成的模擬開關遠非理想。這些處于“導通”狀態(tài)的開關具有幾歐姆的導通電阻。稍后將詳細計算所得功耗。

引腳兼容電路（MAX660、MAX860/MAX861、MAX1680/產(chǎn)品/MAX1681）具有更高的開關頻率和更低的開關導通電阻。由于開關頻率較高，這些電荷泵采用較小的電容器工作，并提供更高的輸出電流。所有器件均可配置為電壓逆變器、倍增器或分壓器。

MAX828/MAX829和MAX870/MAX871專為逆變器應用而設計，采用更小的封裝（SOT23）和更小的外部電容，減小了所需的電路板面積。這些器件的引腳兼容版本（MAX1719/MAX1720/MAX1721）提供額外的關斷引腳，用于關斷電路。在這種情況下，電源電流降至1nA，輸出與輸入斷開，輸出電壓降至零。

電容式分壓器

考慮一個設計用于將輸入電壓分頻4并將輸出電流加倍的電路。與線性穩(wěn)壓器（通常將功率轉換為熱量）相比，它具有優(yōu)勢，并且有利于需要有限輸出電流的應用。例如，20mA至<>mA接口通常提供相對較高的輸出電壓，但預設輸出電流有限。其他應用包括許多運算放大器和微控制器，它們現(xiàn)在以非常低的電源電壓工作。在這些電路中，電源電壓除以<>理論上等于功耗除以<>。

圖2的配置產(chǎn)生一個穩(wěn)壓V。外（= V在/2）采用電容分壓器C3、C4和C5、C6。通過在分壓器的上半部分和下半部分之間交替切換跨接電容C2，IC可以平衡任何與負載相關的電壓差。該電路的開關頻率為 35kHz，靜態(tài)電流僅為 36μA。當負載電流超過1mA時，電路的效率超過90%。然而，在負載電流非常小（即低于100μA）的情況下，即使是這種36mA的低靜態(tài)電流也會降低轉換效率。這種開關電容配置既能提供比簡單電阻分壓器更好的調(diào)節(jié)性能，又能提供比分壓器和運算放大器緩沖器簡單組合更高的效率。IC 規(guī)格限制 V在最大電壓為 5.5V。

圖2.通過所示的連接，該反相電荷泵IC將輸入電壓分頻<>。

計算電荷泵功耗

現(xiàn)在考慮一個簡單的模型，其中電容器 C1 在頻率 f 時在輸出電壓和 V+ 之間切換（圖 3）。該模型可以討論電荷泵功耗。

圖3.這種開關電容器模型表明它的行為類似于電阻器。

一個儲能電容C2和負載R。L，連接到 V外.每個周期傳輸?shù)碾姾蔀椋?/p>

ΔQ = C1(V+ - VOUT)

它產(chǎn)生的電流I取決于頻率f：

I = fΔQ = fC1(V+ - VOUT).

根據(jù)歐姆定律改變方程后，等效電阻RERS，對于開關電容可以計算為：

RERS= 1/fC1

該公式表明，電阻和電阻損耗隨著頻率的增加和電容的增加而減小。較高的電容只會降低輸出電阻，直到開關的電阻和電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）超過R。ERS.只有選擇低ESR電容器才能降低這種內(nèi)部損耗（開關損耗）。通過使用復雜的新型電荷泵，可以降低開關導通電阻。

開關損耗是由跨接電容和輸出電容之間的電壓差以及開關中的導通電阻引起的。這種電壓差出現(xiàn)在開關上，導致應用中的耗散。如前所述，開關電容器的行為類似于電阻。因此，您可以通過并聯(lián)多個開關電容器件來降低輸出電阻并增加輸出功率。

穩(wěn)壓電荷泵

調(diào)節(jié)輸出電壓的集成電荷泵無需電感器即可工作。它們提供穩(wěn)定的輸出電壓（例如 5V）和多種省電模式。MAX682穩(wěn)壓上變頻器等器件工作在高效跳頻模式或固定頻率模式，輸出紋波較小。

當內(nèi)部比較器檢測到輸出電壓下降時，省電跳頻模式僅激活內(nèi)部振蕩器，從而避免不必要的開關。其結果是更低的靜態(tài)電流和更低的開關耗散，特別是對于輕負載。對于低功耗應用，跳躍模式更可取，因為較高的靜態(tài)電流水平會降低整體效率。

為了最大限度地降低輸出紋波，該電路可以在50kHz至2MHz之間的固定頻率模式下振蕩。調(diào)節(jié)確保跨接電容器通過內(nèi)部 MOSFET 充電，充電電流取決于負載。由于功耗增加，輸出電壓降低，為電容器充電更多能量。作為固定頻率模式的優(yōu)點，輸出紋波更低，外部元件更小。如果電荷泵的印象是電荷泵只能提供幾毫安的低輸出電流，你會驚訝地發(fā)現(xiàn)MAX682從250V輸出提供高達5mA的電流。

穩(wěn)壓電荷泵設計理念

用于保持恒定且與輸入電壓無關的開關頻率的改進設計如圖4所示。

圖4.該穩(wěn)壓電荷泵保持恒定的開關頻率。

IC的內(nèi)部開關頻率由流入其關斷引腳的電流控制。控制公式取自器件的數(shù)據(jù)手冊：

REXT = 45000(VIN - 0.69V)/fOSC，REXT 以 kΩ 為單位，fOSC 以 kHz 為單位

通常，在給定的輸入電壓和所需的開關頻率下計算外部關斷電阻的值。然而，在這種情況下，公式表明，關斷引腳中的開關頻率和電流取決于輸入電壓V在.如果輸入電壓變化，開關頻率也會變化。

兩個二極管將電流直流進入關斷引腳。D1通過在電源電壓首次導通時將電流從輸入定向到關斷引腳來確保可靠的啟動。當輸出電壓達到5V或上升到V以上時在，開關頻率變得恒定，因為D2從穩(wěn)定的輸出電壓傳導電流。建議將微型二極管陣列采用 3 引腳 SOT23 封裝 （BAV70） 用于 D1-D2 組合。請注意，關機功能仍然可用。利用漏極開路 MOSFET 將關斷引腳驅動至地，只需將預設頻率的電流短路至地。

穩(wěn)壓逆變器

許多應用需要額外的負電壓，例如-5V。這種電壓可以通過調(diào)節(jié)電荷泵反相器（MAX868）和一些外部元件（圖5）產(chǎn)生。充電時，左側開關關閉，右側開關打開。兩個跨接電容器并聯(lián)充電，負載完全由存儲在輸出電容器中的電荷提供服務。在放電期間，開關重新配置以串聯(lián)連接跨接電容器。當連接到輸出電容器時，它們會根據(jù)需要傳輸電荷以保持輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖5.內(nèi)部元件說明了該穩(wěn)壓電荷泵反相器（MAX868）的工作原理。

內(nèi)部振蕩器頻率 （450kHz） 足夠高，以確保小型外部電容器和高輸出電流。振蕩器由比較器控制，僅當輸出電壓低于其閾值時，振蕩器才會激活。該調(diào)節(jié)使電路能夠提供高達-2V的恒定輸出電壓在.同時，該電路在輕負載時消耗的靜態(tài)電流最小。

降壓/升壓組合

電池供電應用中常見的另一個問題是電池電壓高于和低于調(diào)節(jié)輸出電壓。Li+電池在充電前的使用壽命期間，輸出電壓在3.6V至1.5V之間變化。為了從這種變化的輸入中獲得恒定的3.3V電壓，需要一個組合式降壓/升壓轉換器。最初，該器件將整個電池電壓（3.6V）下變頻至3.3V。當電池電壓降至3.3V以下時，升壓轉換器功能保證穩(wěn)定的3.3V輸出電壓。

雖然這種方法通常很復雜，但現(xiàn)在可以通過簡單的電荷泵IC實現(xiàn)，如MAX1759。MAX1工作在6.5V至5.1759V輸入電壓，產(chǎn)生固定（3.3V）或可調(diào)（2.5V至5.5V）輸出，輸出電流高達100mA。該 IC 采用 10 引腳 μMAX? 封裝，采用 1 個外部電容器工作。一個額外的停機模式將輸出與輸入斷開，同時將靜態(tài)電流降低至 <>μA。

電荷泵概述

表1和表2列出了Maxim提供的一些穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓電荷泵，包括具有特殊功能的電荷泵以及文中提到的所有電荷泵。這些表格使設計人員能夠根據(jù)應用所需的封裝、功能和輸出電流規(guī)格選擇合適的電荷泵。

審核編輯：郭婷