电荷泵电路的基本原理

big_gun

通过了解电荷泵电路、它们是什么、它们是如何工作的、它们的优缺点以及它们的应用，进一步深入研究开关电容电路什么是电荷泵电路？电荷泵电路，或电荷泵调节器，是一种 DC-DC 转换器，利用开关电容技术来增加或减少输入电压水平。
如图1所示，这些电路模块通常只包括电容器和开关(即时钟控制的场效应晶体管或 FET) ，通过仔细计时和控制这些开关来利用电容器的电荷传输特性。离散设计通常使用二极管而不是晶体管来实现所需的开关操作。

图1。简单的电荷泵电路示意图。图片由德州仪器公司提供
通过交替地充放电电容器，电荷泵可以增加或减少给定的输入电压到所需的水平。
从低层次的角度来看，电荷泵电路工作的基本原理是电容器上的电压不能瞬间变化。根据电容器 I-V 方程的定义，为了使电容器瞬间改变其电压，需要无限大的电流。

[ I _ C = C frac { dV _ C }{ dt }]
& Z5 `; S- n! ~9 ]. g! N- b0 H
) S) n/ E+ G5 B1 f0 b; W# N由于这在物理上是不可能的，我们看到电容器不能突然改变其两端的电压。电荷泵利用这种特性，通过使用精心定时的开关来操纵电容器上的电压。

电荷泵倍压电路实例为了更好地理解电荷泵是如何工作的，我们现在来看一个基本的例子: 电压倍增电路。
5 M7 ~+ F' c0 b0 C2 ]! o如图2所示，我们的电压倍增电路由一个由四个周围开关控制的单个电容器组成。
. {3 R5 I; p- d% B& T2 E7 v, t5 _2 W
- Q5 R+ B$ q7 H6 J* R: i/ T图2。倍压电路原理图
* s) K" e. X' E+ F9 E1 v+ E该电路的工作分为两个阶段: 增益阶段和公共阶段。在增益阶段，SW1和 SW2是闭合的，SW3和 SW4是开放的。如图3所示，在这个阶段，C1的正极和负极分别连接到 Vin 和 GND。
: i7 ^7 |1 A' c0 d+ [
图3。在增益阶段，电容器被充电到 Vin
因此，电容器被充电，直到其两端的电压等于 Vin。现在 C1充电到 Vin，我们切换到图4所示的公共阶段。
4 [6 T# ]9 H( H. M1 c$ U0 |
5 R# z. J5 ^- n9 y3 B图4。在普通相中，电容器通过将其正极增压至2 * Vin 来维持电压在共同阶段，SW1和 SW2是开放的，SW3和 SW4是封闭的。这里，C1的负端连接 Vin，而正端连接 Vout。
& i  N8 h+ x: V- r5 d* d如前所述，电容器上的电压不能立即改变。正因为如此，电容器将试图维持一个 Vin 的等效电压跨越自身。为了保持这个 Vin 本身，电容器迫使 Vout 的电压等于2 * Vin，使电容器上的等效电压等于 Vin。
当输出电压参考到地面时，电压倍增电路有效地接受 Vin 的输入并产生2 * Vin 的输出电压。
! [' u/ a6 H3 d/ j# m5 M9 n( \
电荷泵电路中的非理想行为很快值得注意的是，我们迄今为止的讨论假定了理想的电容器和理想的开关，这两者在实际应用中都是不现实的。
电荷泵电路中非理想行为的一些来源包括:
2 G% S. |$ o" i* V" P, `- M: E: |* R

' }/ w7 v6 Q$ T* ]" Y    金属氧化物半导体场效应管开关损耗
! U. ~! K3 R( ?; Q6 J1 N' i' D( \
4 A/ A5 _  {1 z3 A    电容器等效串联电阻
" Y3 I8 y$ o  B3 i3 S6 o# O/ `0 H
3 {  E) G) r2 Q    Charge leakage 充电泄漏

这些非理想性中的每一个都可能导致电荷泵电路的效率降低，并且与我们迄今为止的方程和例子所建立的模型相比，其行为略有不同。
: n4 @  Y7 w' c4 G电荷泵稳压器: 优点，缺点，应用与开关稳压器相比，电荷泵稳压器的一个主要优点是由于不需要使用电感器，其尺寸要小得多。
由于电感值与匝数直接相关，而且匝数越多，需要的空间就越大，所以电感需要大量的板空间。另一方面，电荷泵不需要使用电感器，因此比开关变换器小得多。
下面的表1显示了电荷泵、基于电感的开关模式调节器和低压差(LDO)电路之间的一些主要优缺点。

  |: k! y/ b! K* g, q比较电荷泵、开关稳压器和 LDO 的优缺点。数据由德州仪器公司提供

Type of Circuit 电路类型	Advantages 好处	Disadvantages 缺点
Charge Pump 充电泵	Low cost 低成本Simple 很简单No inductor 没有电感Smallest PCB area 最小的多氯联苯面积More efficient than LDO (70% +) 比 LDO 更有效率(70% 以上)	Low, moderate loads (< 200 mA) 低、中等负荷(< 200毫安)Electromagnetic InteRFerence (EMI) 电磁干扰电磁干扰(EMI)
Inductor-based Switch-mode Circuits 基于电感的开关模式电路	Most efficient 效率最高Larger loads are possible (250 mA +)更大的负载是可能的(250毫安 +)	Most expensive 最贵的Complex design 复杂的设计Greater PCB area and height 更大的 PCB 面积和高度EMI
Low-dropout (LDO)低辍学率(LDO)	Low cost 低成本Simple 很简单No EMI 没有 EMI	Least efficient (50–60% max) 效率最低(最高50-60%)

! V8 ^' r7 g) K
与线性稳压器相比，电荷泵也有优势，即它们提供更高的效率，并且能够降低和提高输入电压。
9 P" C& {7 _# `$ l5 F另一方面，电荷泵往往不如开关稳压器有效，并具有高水平的输出纹波和噪声，使其更糟糕的稳压器比线性稳压器。由于这些原因，电荷泵最适合于需要低负载电流和中等输入输出电压差的应用。
电荷泵电路的一些流行应用包括:

    偏置电路

    逐次逼近 ADC (请参阅本文以获得此应用程序的示例)

    可电擦除可编程式只读记忆体(EEPROM)

    H-Bridge 高端驱动程序(请参阅 TI 演示文稿以了解此应用程序的基础知识)
# M& Z( @; g9 W9 |5 _
在本文中，我们讨论了电荷泵电路的概述，它们是如何工作的，并给出了一个电压倍增电路的例子。与此同时，我们讨论了一个电荷泵稳压器的权衡，并讨论了如何比较它与其他流行类型的电压稳压器。

风吹过后

这个不错哦，我也想来学一学。

niubility

不错哦，我也想来学一学。

big_gun

可以看一下，看一看