电源小白入门学习8——电荷泵电路原理及使用注意事项

news/2024/7/25 20:35:25/文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_67907028/article/details/139268298

电源小白入门学习8——电荷泵电路原理及使用注意事项

  • 电荷泵简介
  • 电荷泵原理
  • 电荷泵设计过程中需要注意的点
  • fly电容的安秒平衡
  • DC/DC功率转换技术对比

电荷泵简介

电荷泵(Charge Pump)是一种电路拓扑结构,用于实现电压升压或降压的功能。它通过周期性地转移电荷来改变电压水平(过控制fly电容的接入方式,利用电容电压无法突变的原理,来改变输出电压水平),而无需使用传统的变压器。电荷泵通常由开关元件(例如晶体管)、电容元件和电压源组成

电荷泵具有以下优点:

  • 简单性:相对于传统的变压器,电荷泵的设计更简单,因为它不需要使用电感元件。
  • 小型化:由于电荷泵中没有电感元件,可以实现更小型化的设计。
  • 成本效益:电荷泵通常比传统的变压器更经济实惠。

电荷泵原理

  • 1/2降压器
    在这里插入图片描述
    我们简单的分析以下原理:

  • 阶段1:fly电容和Cout电容串联,如果fly电容和Cout电容是一样的,则有Vfly = Vout = 1/2 Vin

  • 阶段2:fly电容和Cout电容并联,由于电容的电压无法突变,Vout = 1/2 Vin,实现降压

  • 倍压器
    在这里插入图片描述
    原理如下:

  • 阶段1:输入电压Vin个fly电容充电,Vfly = Vin。

  • 阶段2:改变如图改变电容的接入方式,由于阶段1中电容已经充电,倒是fly电容上端的电压 = Vin + Vfly = 2 * Vin = Vout,实现倍压

  • 反压器
    在这里插入图片描述
    原理如下:

  • 阶段1:输入电压Vin个fly电容充电,Vin = Vfly

  • 阶段2:fly电容反接到输出上,是的Vout = -Vfly = -Vin,实现反压

  1. 其他:通过增加更多的飞跨电容和开关,可以得到更多的电压转换比,但随之而来的成本和控制难度也会增加,往往吃力不讨好,所以我们这里不介绍。
    在这里插入图片描述

当然以上的所有分析过程都是在电路已经进入稳态的状况下,即电容中已经充好电,电路上电有一段时间的前提。

电荷泵设计过程中需要注意的点

了解的电荷泵的基本工作原理之后,我们再来分析以下电荷泵的特点,以及需要注意的内容:

  1. 首当其冲的就是电荷泵的开环问题:电荷泵输出是直接和输入挂钩的,从前面的几个表达式也可以看出,输出和输入有着对应关系,且由于电容和开关上面存在损耗,输出和输入往往不会和我们推导的一样,是一个倍数关系,只会是一个大概的对应关系。所以一般会在电荷泵后面加上一个LDO来稳定输出的电压。

在这里插入图片描述

比如LTC3260这款芯片就是将15V的输入通过一个反压电荷泵得到-15V电压,然后将-15V通过LDO得到-12V电压

  1. 还有一种解决方式,就是在开环的基础上引入负反馈,使其稳定输出电压。
    在这里插入图片描述
  2. 除了电荷泵的开关问题,还有一个就是电荷泵输出功率的问题:由于电荷泵的工作原理,是通过飞跨电容周期性的充放电来提供电流,所以输出上的电流一般都会很小,在10mA到200mA之间不等。那么如何解决这个问题呢?最简单除暴的方法就是增大飞跨电容的容值,使其能够有更多的电荷转移,而提高输出电流。但是这样也有限制,会导致开机的瞬态电流过大,从而造成烧毁芯片的可能。还有一个思路,就是把开关管外置,同时增加飞跨电容的数量。
    在这里插入图片描述

fly电容的安秒平衡

对于电荷泵来说,不存在伏秒平衡,只存在安秒平衡:
在这里插入图片描述
采用更大的电容,可以降低峰值电流:
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DC/DC功率转换技术对比

在这里插入图片描述

  • 电荷泵相比于前面的开关电路来说,最主要的区别就是没有电感,体积就会相对较小,可做升压、降压、反压等,但是只适用于小功率的场景。

  • 由于fly电容经常需要倒换极性,所以fly电容优选陶瓷电容,尽量不要选电解电容

  • 电容充放电过程中的ESR会导致损耗,所以尽量选择ESR小的电容,以提高效率

  • 为了提高工作温度范围,优选材质位X7R和X5R的电容,温度稳定性越好(X7R>X5R>钽电容)

  • 输入、输出电容越大,纹波越小,随之成本也越高

  • 中间的fly电容需要冲输入到负载传递能量,应选取容值大的,以承载更大的电流,但也要防止上电瞬间fly电容电压差为 0,此时瞬态电流过大,流入芯片内部的开关管而烧毁芯片,一般推荐数据手册给定的1.5 ~ 2倍之间。

注意:X7R和X5R是多层陶瓷电容器的材料分类,这些字母和数字代表了电容器的材料特性和等级。

  1. X7R

    • X7R是一种多层陶瓷电容器的材料分类。X表示陶瓷材料为可使用的材料类型之一,而7R表示其电容器的温度特性等级。
    • X7R电容器通常具有相对较高的电容密度和稳定性。它们在温度范围内的电容值变化相对较小,通常是±15%。
    • X7R电容器通常能够在工作温度范围内(通常为-55°C至+125°C)保持稳定的电容值,并且具有良好的频率响应和耐久性。
  2. X5R

    • X5R也是一种多层陶瓷电容器的材料分类。X表示陶瓷材料,而5R表示其电容器的温度特性等级。
    • X5R电容器通常具有较高的电容密度,但其温度稳定性略低于X7R。它们的电容值随温度的变化在±15%至±20%之间。
    • X5R电容器通常适用于较为温和的工作环境,其工作温度范围通常为-55°C至+85°C或-55°C至+105°C,具体取决于制造商和型号。

    输出电压纹波与输出电容、开关频率等参数之间的关系:
    在这里插入图片描述

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