實用電源管理技術(shù)中幾種基本電荷泵電路結(jié)構(gòu)

吳娟 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院

在電源管理電路中，常常需要將可用的直流電源轉(zhuǎn)換為較低或較高的直流電壓。對于高電壓到低電壓的轉(zhuǎn)換，可以采用LDO（Low Dropout Regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器），但是如何輕松地將較低的電壓轉(zhuǎn)換為較高的電壓呢？這就可以借助于電荷泵了。電荷泵由于其功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成，廣泛應(yīng)用于電源管理芯片中。電荷泵又稱為電容式開關(guān)電源，通過控制電容的充放電實現(xiàn)升壓、降壓以及反轉(zhuǎn)電壓的功能。本文對實用電源管理技術(shù)中幾種常用的基本電荷泵電路結(jié)構(gòu)做具體介紹。

一、升壓式電荷泵

圖1 升壓式電荷泵結(jié)構(gòu)

圖1 所示為升壓式電荷泵結(jié)構(gòu)，由四個開關(guān)S1、S2、S3 和S4 以及電容C 組成。在電源管理芯片中，開關(guān)一般是快速M(fèi)OSFET （Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）開關(guān)管構(gòu)成的。在圖1 中，開關(guān)S1 和S3 同時導(dǎo)通，開關(guān)S2 和S4 同時導(dǎo)通，且S1 和S3導(dǎo) 通 時，S2 和S4 斷 開；S2 和S4 導(dǎo) 通 時，S1 和S3 斷開；即它們交替導(dǎo)通。工作原理分析如下：

（一）當(dāng)S1 和S3 導(dǎo)通，S2 和S4 斷開時

電容C 被電源VIN充電，并充電至其兩端電壓達(dá)到VIN。

（二）當(dāng)S2 和S4 導(dǎo)通，S1 和S3 斷開時

由于電容C 兩端的電壓不能突變，保持為VIN，電荷泵的輸出電壓VO為：

VIN為電荷泵的輸入電壓，UC為電容C的電壓，由式（1）可知電荷泵的輸出電壓是輸入電壓的兩倍，故圖1 所示電路為兩倍增益的升壓式電荷泵。

二、降壓式電荷泵

電荷泵除了能提供升壓的功能，還具備降壓的功能。降壓式電荷泵，由四個開關(guān)S1、S2、S3 和S4 以及輸入電容CIN、電容C、輸出電容Co 組成。同樣地，開關(guān)S1 和S3 同時導(dǎo)通，開關(guān)S2 和S4 同時導(dǎo)通，它們交替導(dǎo)通。工作原理分析如下：

（一）當(dāng)S1 和S3 導(dǎo)通，S2 和S4 斷開時

電容C 和Co 為串聯(lián)關(guān)系，它們被電源VIN 充電，滿足以下公式：

式（2）中，VIN為電荷泵的輸入電壓，Vo 為電荷泵的輸出電壓，UC 為電容C 的電壓，為電容CO的電壓。

（二）當(dāng)S2 和S4 導(dǎo)通，S1 和S3 斷開時

電容C 和Co 為并聯(lián)關(guān)系，且電容C 和Co 兩端的電壓不能突變，滿足：

結(jié)合式（1）和式（2），可以得到：

所以輸出電壓為輸入電壓一半的降壓式電荷泵。

三、電荷泵反轉(zhuǎn)器

電荷泵除了能實現(xiàn)升壓和降壓的功能外，它還能完成輸出電壓變?yōu)榕c輸入電壓相反極性的功能，圖2 所示為由電荷泵組成的電壓反轉(zhuǎn)器。

圖2 電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器

如圖2 所示，電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器由振蕩器、反相器以及四個開關(guān)、兩個電容C1 和C2 組成。振蕩器輸出的脈沖直接控制開關(guān)S1 及S2；此脈沖經(jīng)反相器反相后控制開關(guān)S3 及S4。當(dāng)S1、S2 閉合時，S3、S4 斷開；S3、S4 閉合時，S1、S2 斷開。工作原理分析如下：

（一）當(dāng)S1 和S2 導(dǎo)通，S3 和S4 斷開時

電容C1 被VIN充電至VIN，即：

式（5）中VIN為電荷泵輸入電壓，UC1為電容C1 的電壓。

（二）當(dāng)S3 和S4 導(dǎo)通，S1 和S2 斷開時

電容C1 向C2 放電，可以分析得到：

Vo 為電荷泵輸出電壓，UC2為電容C2的電壓，由式（6）可知，電荷泵的輸出電壓為輸入電壓的反轉(zhuǎn)。電子產(chǎn)品中，往往需要正負(fù)電源或幾種不同電壓供電，對電池供電的便攜式產(chǎn)品來說，增加電池數(shù)量，必然影響產(chǎn)品的體積及重量。采用電壓反轉(zhuǎn)式電路可以在便攜式產(chǎn)品中省去一組或多組電池，構(gòu)成多組正負(fù)電源電壓，同時，由于電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器僅需外接兩個電容，電路最簡單，尺寸小，并且轉(zhuǎn)換效率高、耗電少，所以它獲得了極其廣泛的應(yīng)用。

四、結(jié)論

電荷泵具備簡單性、低成本、無需電感、較小的PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）空間、能提供降壓、升壓和反相電壓等優(yōu)點(diǎn)，在電源管理技術(shù)中必不可少。如今，許多IC（Integrated Circuit，集成電路）、微處理器以及EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，帶電可擦可編程只讀存儲器）都需要多個電源，這些都可以通過電荷泵來提供所需要的電源電壓。