電荷泵如何工作? 電荷泵負(fù)壓電路的應(yīng)用場景

電荷泵(charge pump)是一種直流-直流轉(zhuǎn)換器，利用電容器為儲能元件，多半用來產(chǎn)生比輸入電壓大的輸出電壓，或是產(chǎn)生負(fù)的輸出電壓。電荷泵電路的電效率很高，約為90-95%，而電路也相當(dāng)?shù)暮唵巍ｋ姾杀美靡恍╅_關(guān)元件來控制連接到電容器的電壓。例如，可以配合二階段的循環(huán)，用較低的輸入電壓產(chǎn)生較高的脈沖電壓輸出。在循環(huán)的第一階段，電容器連接到電源端，因此充電到和電源相同的電壓，在第一階段會調(diào)整電路組態(tài)，使電容和電源電壓串聯(lián)。若不考慮漏電流的效應(yīng)，也假設(shè)沒有負(fù)載，其輸出電壓會是輸入電壓的兩倍(原始的電源電壓加上電容器兩端的電壓)。較高輸出電壓的脈沖特性可以用輸出的濾波電容器來濾波。

?電荷泵電路是一種利用開關(guān)電容技術(shù)實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的電路，主要通過交替充電和放電電容器來實現(xiàn)電壓的倍增或變換。? 具體來說，電荷泵電路通過精心定時的開關(guān)操作來控制電容器的充放電過程，從而將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。這種電路通常由電容器和開關(guān)(如場效應(yīng)晶體管)組成，利用電容器的電荷轉(zhuǎn)移特性來工作。?1工作原理

電荷泵電路的工作原理基于電容器的電壓不能瞬時改變的特性。當(dāng)開關(guān)打開時，電容器通過外部電源充電;當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，電容器通過內(nèi)部電路放電，將存儲的電荷轉(zhuǎn)移到負(fù)載上。通過不斷循環(huán)這個過程，電荷泵可以實現(xiàn)電壓的倍增或變換。

電荷泵如何工作?

理解這一點的最好方法是想象以下情況。

您使用 9V 電池為電容器充電，因此電容器兩端的電壓也是 9V。然后你拿另一個電容器也充電到 9V。現(xiàn)在將兩個電容器串聯(lián)起來，測量它們兩端的電壓——18V。

這是電荷泵的基本工作原理——取兩個電容器，分別為它們充電，然后將它們串聯(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(dāng)然，這不僅限于兩個電容器，可以級聯(lián)連續(xù)的級以獲得更高的輸出電壓。

電荷泵的局限性

在我們構(gòu)建一個之前，了解電荷泵的局限性是個好主意。

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

2.你添加的級數(shù)越多，并不意味著電壓輸出增加那么多倍——每一級負(fù)載前一級的輸出，所以輸出不是輸入的完美倍數(shù)。添加的階段越多，這個問題就越嚴(yán)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，它使用了常青555 定時器 IC。從某種意義上說，這個電路是“模塊化的”——級可以級聯(lián)以增加輸出電壓(考慮到第二個限制)。

所需組件

1. 對于 555 振蕩器

555 定時器 - 雙極型

10uF電解電容(去耦)

2x 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. 對于電荷泵

6x IN4148 二極管(也推薦使用 UF4007)

5x 10uF 電解電容

100uF電解電容

需要注意的重要一點是，電荷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。

電路原理圖

這是它在面包板上的樣子：

電荷泵電路說明

1. 555定時器

這里顯示的電路是一個簡單的555 定時器非穩(wěn)態(tài)振蕩器。時序組件產(chǎn)生大約 500kHz 的頻率(對于雙極 555 而言，這本身就是一項壯舉)。這種高頻率可確保電荷泵上的電容器定期“刷新”，從而使輸出電壓不會產(chǎn)生太大的紋波。

應(yīng)用場景

電荷泵電路在許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，包括：

?集成電路?：為芯片內(nèi)部提供所需的高壓電源。

?模擬電路?：用于放大器、濾波器等模塊的高壓供電。

?無線通信?：在射頻模塊、天線驅(qū)動器等系統(tǒng)中提供高功率、高壓電源。

?傳感器和執(zhí)行器?：提供所需的高電壓驅(qū)動信號。

?醫(yī)療設(shè)備?：如心臟起搏器、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)等，用于提供穩(wěn)定的高壓電源。

?航空航天?：在衛(wèi)星、飛機等設(shè)備中提供穩(wěn)定的高電壓輸出。

?汽車電子?：滿足車載傳感器、馬達驅(qū)動器等設(shè)備對高電壓信號的需求。

?能源管理?：在太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機等系統(tǒng)中應(yīng)用。

優(yōu)缺點

電荷泵電路的主要優(yōu)點包括：

?尺寸小?：不需要使用電感器，因此比開關(guān)模式穩(wěn)壓器小得多。

?高效率?：相對于線性穩(wěn)壓器，電荷泵具有更高的轉(zhuǎn)換效率和較低的靜態(tài)功耗。

?可編程控制?：通過控制開關(guān)管的工作方式和頻率，可以根據(jù)需要動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓和功率。

缺點包括：

?效率較低?：通常低于開關(guān)穩(wěn)壓器，且輸出紋波和噪聲較高。

?適用范圍有限?：適合低負(fù)載電流和中等輸入輸出電壓差的應(yīng)用。

電荷泵的應(yīng)用

電荷泵轉(zhuǎn)換器常用于倍壓或反壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換。電荷泵電路采用電容作為儲能和傳遞能量的中介，隨著半導(dǎo)體工藝的進步，新型電荷泵電路的開關(guān)頻率可達1MHz。電荷泵有倍壓型和反壓型兩種基本電路形式。

電荷泵電路主要用于電壓反轉(zhuǎn)器，即輸入正電壓，輸出為負(fù)電壓，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)品中省去一組電池。由于工作頻率采用2～3MHz，因此電容容量較小，可采用多層陶瓷電容(損耗小、ESR 低)，不僅提高效率及降低噪聲，并且減小電源的空間。

雖然有一些DC/DC 變換器除可以組成升壓、降壓電路外也可以組成電壓反轉(zhuǎn)電路，但電荷泵電壓反轉(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。

目前不少集成電路采用單電源工作，簡化了電源，但仍有不少電路需要正負(fù)電源才能工作。例如，D/A 變換器電路、A/D 變換器電路、V/F或F/V 變換電路、運算放大器電路、電壓比較器電路等等。自INTERSIL公司開發(fā)出ICL7660電壓反轉(zhuǎn)器IC后，用它來獲得負(fù)電源十分簡單，90 年代后又開發(fā)出帶穩(wěn)壓的電壓反轉(zhuǎn)電路，使負(fù)電源性能更為完善。對采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品來說，采用電荷泵變換器來獲得負(fù)電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數(shù)量、減少產(chǎn)品的體積、重量，并且在減少能耗(延長電池壽命)方面起到極大的作用?，F(xiàn)在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流，效率達到75%(平均值)。

電荷泵負(fù)壓電路的工作原理

電荷泵負(fù)壓電路是一種利用電容儲能的DC/DC變換器，也被稱為開關(guān)電容式電壓變換器。它通過電容的充電與轉(zhuǎn)移，可以使輸入電壓升高或降低，甚至產(chǎn)生負(fù)壓。

在電荷泵負(fù)壓電路中，PWM(脈沖寬度調(diào)制)波形的高電平對應(yīng)Q2導(dǎo)通，而PWM的低電平對應(yīng)Q1導(dǎo)通。VG1是一個階躍信號，通常設(shè)置為方波，具有一定的振幅和頻率。當(dāng)VG1的PWM信號處于高電平時，電流的方向是VG1→C1→D1→GND，此時電容C1進行充電，其兩端形成左正右負(fù)的電勢差，即VH。而當(dāng)VG1的PWM信號處于低電平時，電流的方向變?yōu)镃2→D2→C1→VG1，此時C1進行放電，同時對C2進行充電。由于電容兩端電壓不能突變的特性，當(dāng)C1左端變?yōu)?時，VF1端會變?yōu)?VH，忽略D2的壓降，VF2自然得到一個負(fù)壓輸出-VH，這個負(fù)壓值受VG1頻率和振幅的影響。

電荷泵負(fù)壓電路的應(yīng)用場景

電荷泵負(fù)壓電路在電子設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用，例如：

LCD屏幕背光驅(qū)動：LCD屏幕背光需要高壓驅(qū)動，電荷泵負(fù)壓電路可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動LCD屏幕背光。

電子氣體放電燈驅(qū)動：電子氣體放電燈需要高壓驅(qū)動，電荷泵負(fù)壓電路可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動電子氣體放電燈。

電子鐘表驅(qū)動：電子鐘表需要低電壓驅(qū)動，電荷泵負(fù)壓電路可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動電子鐘表。

電子游戲機驅(qū)動：電子游戲機需要高壓驅(qū)動，電荷泵負(fù)壓電路可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動電子游戲機。

總之，電荷泵負(fù)壓電路在電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動各種電子設(shè)備。

【結(jié)語】

電荷泵負(fù)壓電路是一種利用電容儲能的DC/DC變換器，可以實現(xiàn)輸入電壓升高或降低，甚至產(chǎn)生負(fù)壓。本文詳細(xì)介紹了電荷泵負(fù)壓電路的工作原理和應(yīng)用場景。在電子設(shè)備中，電荷泵負(fù)壓電路有著廣泛的應(yīng)用，可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動各種電子設(shè)備。