充電泵電路介紹


原標題:充電泵電路介紹
充電泵電路(Charge Pump)是一種基于電容儲能與開關切換實現電壓轉換的DC-DC變換器,無需電感元件即可完成升壓、降壓或反相功能。其核心原理是通過周期性控制開關陣列,利用電容的充放電特性改變電壓極性或幅值,具有結構簡單、成本低、靜態功耗小等優勢,廣泛應用于便攜設備、射頻電路、低功耗芯片供電及模擬信號處理等領域。
一、基本工作原理
充電泵的核心由開關陣列、儲能電容(飛電容)和輸出濾波電容構成,通過時鐘信號控制開關狀態,交替完成充電與放電過程:
充電階段
開關陣列將飛電容與輸入電壓源連接,使電容極板充電至輸入電壓值。例如,在升壓電路中,飛電容C1的正極接輸入VIN,負極接地,電容被充電至VIN。放電階段
開關切換改變飛電容的連接方式,將其與輸出端串聯或并聯,釋放存儲的電荷。例如,在升壓電路中,C1的正極改接輸出端,負極接輸入VIN,此時輸出端電壓為VIN(電容電壓)疊加VIN(輸入電壓),形成2倍升壓(2VIN)。
通過高頻切換(典型頻率100kHz-1MHz),輸出端經濾波電容平滑后,即可得到穩定的直流電壓。整個過程僅依賴電容充放電,避免了電感元件的磁芯損耗與電磁干擾(EMI)。
二、核心拓撲結構
充電泵根據功能可分為三種主要拓撲:
升壓型(Boost)
原理:通過開關切換使飛電容在充電時存儲輸入電壓,放電時與輸入電壓串聯疊加,輸出電壓為輸入電壓的整數倍(如2倍、3倍)。
應用:驅動OLED屏幕背光、無線充電發射端、射頻功率放大器(需高電壓)。
反相型(Inverting)
原理:飛電容充電時一端接輸入正極,另一端接地;放電時一端接輸入正極,另一端接輸出端,使輸出端積累負電荷,生成與輸入電壓極性相反的輸出。
應用:為運算放大器提供負電源(如+5V→-5V)、音頻電路偏置電壓。
分壓型(Voltage Divider)
原理:利用電容分壓網絡將輸入電壓降低至一半或更低。例如,輸入5V時,通過兩個電容串聯分壓可得到2.5V輸出。
應用:為低功耗傳感器供電、ADC參考電壓生成。
三、核心優勢與局限性
優勢
結構簡單:僅需電容與開關元件(通常集成于芯片內部),體積小、成本低,適合高度集成化設計。
靜態功耗低:無電感元件的磁芯損耗,空載時僅消耗開關驅動電流(典型值<1μA),延長電池壽命。
響應速度快:電容充放電時間常數小,可快速跟蹤負載電流變化,適用于瞬態負載場景。
電磁干擾(EMI)低:無電感開關產生的輻射噪聲,簡化EMI濾波設計。
局限性
輸出電流受限:輸出電流過大時,電容充放電時間延長,導致輸出電壓跌落。典型充電泵芯片輸出電流多在100mA-500mA范圍內,高電流需求需并聯多相電路或改用電感型DC-DC。
紋波較大:開關切換引起的電荷轉移會在輸出端產生紋波(典型值10mV-50mV),需額外濾波電容抑制。
效率波動:升壓模式下,輸出電壓越高,開關損耗占比越大,效率可能低于70%;反相模式效率通常優于升壓模式。
電容選型敏感:需選擇低等效串聯電阻(ESR)的陶瓷電容(如X7R/X5R材質),否則可能引發振蕩或效率下降。
四、典型應用場景
便攜設備供電
智能手機/可穿戴設備:生成LCD偏置電壓(如-15V)、攝像頭傳感器供電(如6V)或音頻放大器負電源,替代笨重的電感元件,節省PCB空間。
無線耳機:通過升壓充電泵將鋰離子電池電壓(3.0V-4.2V)提升至5V,為藍牙芯片供電。
射頻與模擬電路
射頻功率放大器(PA):將3.3V輸入升壓至6V,提升發射功率。
運算放大器:生成±12V雙電源,擴展信號動態范圍。
LED驅動
背光顯示:通過升壓充電泵驅動多串LED(如3.3V→9V),實現均勻亮度控制。
手電筒電路:將單節電池電壓升壓至3V以上,驅動高亮度LED。
存儲器供電
DDR內存:生成1.8V/2.5V核心電壓或VTT終端電壓,滿足低功耗與高穩定性需求。
五、設計優化技巧
電容選型
飛電容:選擇耐壓值高于輸入電壓1.5倍的陶瓷電容(如10μF/16V X7R),兼顧容量與低ESR。
輸出電容:并聯陶瓷電容(0.1μF-10μF)與電解電容(100μF-470μF),抑制高頻紋波與低頻波動。
布局優化
將高頻回路(開關管、飛電容、二極管)盡量靠近芯片,縮短走線長度以降低寄生電感。
功率地(PGND)與信號地(SGND)單點連接,避免大電流干擾基準電壓。
效率提升
輕載模式:當負載電流低于閾值時,芯片自動切換至突發模式(Burst Mode),減少開關損耗。
同步整流:用MOSFET替代二極管進行整流,降低導通損耗(如從0.5V降至0.05V),提升輕載效率。
充電泵電路以電容為核心,通過開關切換實現靈活的電壓轉換,其簡單、高效、低噪聲的特性使其成為低功耗、小體積電源設計的理想選擇。隨著集成電路技術的發展,單芯片充電泵(如MAX1759、LTC3260)已集成軟啟動、過流保護及低功耗模式,進一步拓展了其應用范圍。
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