充電泵電路-從低壓源獲得更高電壓

情況很簡單——你有一個低電壓供電軌，比如3.3V，你想給需要5V的東西供電。這是一個艱難的決定，特別是如果涉及電池。唯一明顯的方法是開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，更具體地說是升壓轉(zhuǎn)換器。

這是我們遇到的一個障礙-增壓轉(zhuǎn)換器在低功率下效率低下，因為大量的能量被消耗，只是為了保持調(diào)節(jié)點和驅(qū)動電源開關(guān)。此外，這種類型的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器有噪聲——如果你處理的是敏感電路，這是一個問題。你處于一個過度設(shè)計的解決方案的不舒服的位置。線性調(diào)節(jié)器不能反向工作，所以它被排除為設(shè)計不足。

那么我們該如何區(qū)分過度設(shè)計和不足設(shè)計呢?

這個問題的答案是電荷泵-它本身是一種開關(guān)模式的電源。顧名思義，這種變換器移動的是離散電荷，儲存這些離散電荷的元件就是電容器，所以這種變換器又叫飛電容變換器。

電荷泵使用電容器產(chǎn)生輸入電壓的離散倍數(shù)。

電荷泵是如何工作的?

理解這一點的最好方法是想象以下情況。

你用9V的電池給電容器充電，所以電容器上的電壓也是9V。然后你拿另一個電容器，并充電到9V?，F(xiàn)在將兩個電容器串聯(lián)起來，測量它們之間的電壓——18V。

這是電荷泵工作的基本原理——取兩個電容器，分別給它們充電，然后把它們串聯(lián)起來，盡管在真正的電荷泵中，重新排列是通過電子方式完成的。

當然，這并不局限于只有兩個電容器，連續(xù)級可以級聯(lián)，以獲得更高的輸出電壓。

電荷泵的局限性

在我們建立電荷泵之前，了解電荷泵的局限性是一個好主意。

1. 可用輸出電流——因為電荷泵只不過是循環(huán)充電和放電的電容器，可用電流非常低——在極少數(shù)情況下，使用合適的芯片可以獲得100mA，但效率很低。

2. 您添加的級越多并不意味著輸出電壓增加那么多倍——每級負載前一級的輸出，因此輸出不是輸入的完美倍數(shù)。你添加的階段越多，這個問題就越嚴重。

構(gòu)建電荷泵電路

這里顯示的電路是一個簡單的三級電荷泵，使用常綠555定時器IC。從某種意義上說，這個電路是“模塊化”的-級聯(lián)可以增加輸出電壓(考慮到限制2)。

組件的要求

1. 對于555振蕩器

?555定時器-雙極變體

?10uF電解電容器(去耦)

?2個100nF陶瓷電容(去耦)

?100pF陶瓷電容(定時)

?1K電阻(定時)

?10K電阻(定時)

2. 電荷泵

?6個IN4148二極管(也推薦使用UF4007)

?5個10uF電解電容器

?100uF電解電容

需要注意的一件重要的事情是，在充電泵中使用的所有電容器的額定電壓必須比預(yù)期的輸出電壓高幾伏。

線路圖

這就是它在面包板上的樣子：

電荷泵電路描述

1. 555定時器

這里顯示的電路是一個簡單的555定時器不穩(wěn)定振蕩器。定時元件產(chǎn)生的頻率約為500kHz(對于雙極555來說，這本身就是一項壯舉)。這種高頻率確保了充電泵上的電容器定期“刷新”，這樣輸出端的電壓就不會有太多紋波。

2. 電荷泵

這是整個賽道中最令人生畏的部分。像大多數(shù)其他事物一樣，它可以被分解成一個單一的單位來理解：

讓我們假設(shè)555定時器的輸出引腳3在啟動期間為低電平。這導(dǎo)致電容器通過二極管充電，因為負極現(xiàn)在接地。當輸出高時，負引腳也高-但是由于電容上已經(jīng)有電荷(因為二極管不能去任何地方)，在電容的正極看到的電壓實際上是輸入電壓的兩倍。

這是電容器的正極：

最終的結(jié)果是，您有效地將VCC的偏移量添加到555計時器的輸出中。

現(xiàn)在這個電壓直接作為輸出是無用的，因為有一個巨大的50%紋波。為了解決這個問題，我們增加了一個峰值檢測器，如下圖所示：

這是上述電路的輸出：

我們成功地將輸出電壓提高了一倍!

電路構(gòu)造技巧

雙極555以其在供電軌上產(chǎn)生的電源尖峰而聞名，因為輸出推挽級在過渡期間幾乎縮短了電源。因此，脫鉤是必須的。

我將快速地繞個彎路，告訴你們一些關(guān)于適當解耦的事情。

這是振蕩器的VCC引腳，沒有任何去耦：

這是正確解耦后的相同引腳：

你可以清楚地看到一點解耦帶來的不同。

低電感陶瓷SMD電容器推薦用于電荷泵階段。具有低正向壓降的肖特基二極管也提高了性能。

使用具有適當輸出級的CMOS 555(甚至可能是像TC4420這樣的柵極驅(qū)動器)可以減少(但不能消除)電源尖峰。

電荷泵變化

電荷泵不僅可以增加電壓，還可以用來反轉(zhuǎn)電壓極性。

這個電路的工作方式與電壓倍頻器相同——當555輸出高時，帽充電，當輸出低時，電荷通過第二個電容器在相反的方向上，在輸出上產(chǎn)生負電壓。

我在哪里使用充電泵?

?在只有單一電壓可用的電路中，為運算放大器提供的雙極性電源。運算放大器不消耗太多電流，所以這是一個完美的匹配。這樣做的好處是，逆變器和倍頻器可以從相同的輸出驅(qū)動，例如，從5V電源產(chǎn)生±12V電源。

?柵極驅(qū)動器-自啟動是一種選擇，但電荷泵有可能產(chǎn)生更高的電壓，例如，從3.3V電源產(chǎn)生12V柵極驅(qū)動器。在這種情況下，引導(dǎo)不會給你超過7V的電壓。

因此，電荷泵是一種簡單而有效的裝置，用于產(chǎn)生輸入電壓的離散倍數(shù)。

本文編譯自circuitdigest