我工作的產(chǎn)品線為 LCD 和 AMOLED 顯示器開發(fā)多軌電源。此類電源通常具有一個或多個電感轉(zhuǎn)換器，外加一對電荷泵以產(chǎn)生額外的低功率輸出電壓。電荷泵非常適合這些應(yīng)用，因為它們相對簡單且便宜。
圖 1 顯示了一個電荷泵，它使用升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點來驅(qū)動飛電容。為避免中斷升壓轉(zhuǎn)換器操作，最好不要過多地加載開關(guān)節(jié)點。一個好的經(jīng)驗法則是確保電荷泵的輸出功率小于升壓轉(zhuǎn)換器輸出功率的 10% 到 20%。
圖 1：從升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點驅(qū)動電荷泵
在該電路中，升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點產(chǎn)生一個矩形驅(qū)動波形，其占空比 D 大約等于，其中 V I是升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。二極管 D1 和 D2 構(gòu)成一個單刀雙擲 (SPDT) 開關(guān)。
該電路的輸出電壓由公式 1 給出：
(1)
其中，V F是二極管的正向電壓，I O是輸出電流，R O是電荷泵的輸出電阻。
我在上一篇文章中描述了當(dāng)飛跨電容大于某個臨界值時R O如何達(dá)到最小值，圖 2 再次顯示。使用開關(guān)節(jié)點驅(qū)動電荷泵時的主要區(qū)別在于占空比DC/DC 轉(zhuǎn)換器的周期對 R O (min) 的值有影響，只要 D 遠(yuǎn)離 0.5，該值就會增加（見圖 3）。
圖 2：輸出阻抗與飛電容
圖 3：占空比對 R O (min)的影響
出于所有實際目的，開關(guān)節(jié)點的輸出阻抗接近于零。哪個好，對吧？實際上并非如此，因為極低的驅(qū)動阻抗會導(dǎo)致高峰值電流流入開關(guān)節(jié)點，這有時會破壞升壓轉(zhuǎn)換器的運行。在啟動期間尤其如此，此時飛跨電容器必須在從 0V 到接近 15V 的多個周期內(nèi)充電。當(dāng)然，您也可以同樣出色地使用開關(guān)節(jié)點來產(chǎn)生負(fù)輸出電壓（參見圖 4）。
圖 4：驅(qū)動反相電荷泵的升壓轉(zhuǎn)換器
該電路的數(shù)學(xué)運算類似于倍壓器情況：
又在哪里 
有多種方法可以調(diào)節(jié)分立電荷泵的輸出電壓，但目前最簡單的方法是讓電荷泵開環(huán)運行并簡單地使用線性穩(wěn)壓器進(jìn)行后調(diào)節(jié)。使用這種方法不會影響效率——除了最復(fù)雜的電荷泵調(diào)節(jié)技術(shù)之外，其他所有技術(shù)都會燒掉未使用的功率——而且更容易穩(wěn)定。圖 5 所示的替代電路很有吸引力，因為您可以使用正向調(diào)節(jié)電路來控制負(fù)輸出電壓，但以這種方式直接調(diào)節(jié)電荷泵的輸出電壓通常會導(dǎo)致電荷泵的控制回路與升壓轉(zhuǎn)換器的控制回路“對抗”控制回路。解決這個問題的一種方法是確保電荷泵的交叉頻率比升壓轉(zhuǎn)換器的低得多（例如，至少低五倍）。
圖 5 – 調(diào)節(jié)反相電荷泵
本文中的示例顯示了從升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點運行的電荷泵，但您當(dāng)然可以使用其他轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。升壓轉(zhuǎn)換器中開關(guān)節(jié)點的主要優(yōu)點是其幅度是恒定的。在使用降壓或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點時情況并非如此，其中幅度隨輸入電壓而變化。當(dāng)然，如果您使用穩(wěn)壓輸入電壓運行，則無論您使用哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都不會出現(xiàn)此問題。
正確的電荷泵操作依賴于永久可用的驅(qū)動信號。如果電荷泵在低輸出電流下使用脈沖頻率模式 (PFM) 以提高效率的轉(zhuǎn)換器運行，則無法保證這一點。在 PFM 操作期間，DC/DC 轉(zhuǎn)換器會突發(fā)切換；在開關(guān)脈沖之間的暫停期間，電荷泵的輸出電壓將衰減，因為它的輸出電容器必須提供所有的輸出電流。如果驅(qū)動電荷泵的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器始終在脈寬調(diào)制 (PWM) 模式下運行會更好。
類似地，如果升壓轉(zhuǎn)換器電感電流不連續(xù)，電荷泵的正確運行可能會受到干擾，在這種情況下，電荷泵的驅(qū)動信號就會消失。如果升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流足夠高，電感電流可能會保持連續(xù)?；蛘撸绻D(zhuǎn)換器使用同步整流，則電感器電流可能會保持連續(xù)，即使在低輸出電流時也是如此。（但請注意：一些同步轉(zhuǎn)換器，尤其是那些針對低功率應(yīng)用的同步轉(zhuǎn)換器，會在電感電流為零時關(guān)閉同步整流器并進(jìn)入斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)）。
在本系列的最后一部分中，我將介紹多級電荷泵。
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