|
電荷泵（也稱為無電感式DC/DC轉換器）是利用電容作為儲能元件的特殊類型開關DC/DC轉換器。與采用電感作為儲能元件的電感式開關DC/DC轉換器相比，電荷泵式轉換器所具有的獨特特點使其對于某些最終應用非常具有吸引力。本文將對比穩壓電荷泵轉換器與最常用的電感式DC/DC轉換器(如電感式降壓穩壓器、升壓穩壓器以及單端初級電感式轉換器(SEPIC))的結構和工作特點。 穩壓式電荷泵轉換器 最簡單也是最常用到的電荷泵結構之一是倍壓電荷泵。倍壓電荷泵結構包括四個開關、一個用于存儲和轉移能量的外部電容(常稱為“快速電容”)，以及一個外部輸出電容(常稱為“儲能電容”)。 圖1是倍壓電荷泵的結構圖。這種倍壓電荷泵的工作由兩個階段組成——充電(能量儲存)和放電(能量轉移)。 在充電階段，開關S1/S3閉合（導通），S2/S4打開（關斷）。快速電容CF被充電到輸入電壓VIN，并儲存能量，儲存的能量將在下一個放電階段被轉移。儲能電容CR，在上一個放電周期就已經被從CF轉移過來的能量充電到2VIN 電壓，并提供負載電流。 在放電階段，開關S1/S3打開，S2/S4閉合。CF的電平被上移了VIN，而 CF在上一充電階段已經充電至VIN，因此CR兩端的總電壓現在成為2VIN(這也是“倍壓”電荷泵名稱的由來)。然后，CF放電將充電階段存儲的能量轉移到CR，并且提供負載電流。 充電/放電周期的頻率取決于時鐘頻率。通常傾向于采用較高的時鐘頻率來降低對快速電容和儲能電容容值的要求，從而減小體積。 圖1所示簡單倍壓電荷泵沒有對輸出電壓進行穩壓，因此其輸出電壓隨著輸入電壓和負載的變化而變化。對需要穩壓電源的應用，這并不合適。然而，只需要增加一個簡單的反饋回路就可以容易地解決這一問題。圖2給出了一個非常簡單的、具有穩定輸出的倍壓電荷泵，通常稱為“穩壓式電荷泵”。 圖2中，增加了一個開關S5來對開關S2/S4提供更多控制。由 VOUT 經過電阻R1 和 R2分壓后與高精度電壓參考源的差值確定比較器輸出，并由這一輸出來控制S5的狀態。比較器通常都內置滯后特性，以防止出現振蕩。比較器、電阻分壓器、參考電壓和S5開關共同構成了反饋回路。反饋回路通過控制放電階段中開關S5 和 S2/S4的開關狀態來調整電荷泵的輸出電壓。 在放電階段，如果 VOUT低于預設的穩壓輸出電壓，比較器會閉合S5，從而閉合S2和S4。這樣CF就可以將能量轉移到CR和負載，從而使VOUT上升到預設電壓。當 VOUT達到預設電壓時，比較器會打開S5，從而打開S2和S4，終止能量轉移過程。如果VOUT 在放電階段無法上升到預設電壓，那么S5、S2和S4會一直保持閉合狀態直至放電階段結束。 另一方面，如果 VOUT高于預設的穩壓輸出電壓，比較器會打開S5，從而S2和S4打開。這樣這中止了CF 將能量轉移到CR和負載的過程，從而使VOUT下降到預設電壓。如果在這一放電階段VOUT無法下降到預設電壓，那么S5、S2和S4會一直保持打開狀態。 通過調整分壓器中電阻R1和R2的阻值，穩壓電荷泵可以輸出地（0V）到2VIN之間的任意電壓。也就是說，其輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。需要說明的是，利用電感器作為儲能元件的降壓穩壓器和升壓穩壓器等常用DC/DC轉換器拓撲結構通常做不到這一點。 降壓轉換器和升壓轉換器 目前的電感式DC/DC轉換器的工作方式絕大多數都是周期性的，其周期T由時鐘頻率控制。本文中為簡化分析，我們僅考察連續電流模式工作的固定頻率電感式DC/DC轉換器。電感式DC/DC轉換器的工作也包括兩個階段：開關導通(閉合)和開關關斷(打開)。開關導通時間 tON由反饋回路控制，導通時間由輸出電壓VOUT與預設電壓之間的偏差值來決定。因此，開關關斷持續時間為T- tON (參見圖3)。 降壓穩壓器的工作原理一般非常易于理解。穩壓輸出電壓表示為： VOUT=VIN(tON/T) 方程 (1a) 方程1a還可以表示為： VOUT=VIND 方程 (1b) 其中D為占空比，等于 tON/T。 從方程1a 和 1b可容易看出降壓穩壓器的輸出電壓始終低于輸入電壓，因為占空比D始終小于1。圖4給出了降壓穩壓器的結構。 升壓穩壓器的工作原理一般也非常容易理解，其穩壓輸出可表示為： VOUT=VINT/(T-tON) 方程 (2a) 方程2a還可以表示為： VOUT=VIN/(1-D) 方程 (2b) 因此升壓轉換器的輸出電壓始終高于輸入電壓，因為1/(1 - D) 始終大于1。圖5給出了升壓穩壓器的結構。 因此，對于需要穩壓輸出電壓既可高于輸入電壓又可低于輸入電壓的應用，降壓或升壓穩壓器都不太合適。 單端初級電感式轉換器（SEPIC） 另一種應用日益廣泛的電感式DC/DC轉換器是SEPIC結構。其特點是輸出的穩壓電壓既能夠高于輸入電壓，也可以低于輸入電壓。 如圖6所示，SEPIC與傳統降壓轉換器和升壓轉換器的區別在于，采用兩個外部電感（L1和L2）以及兩個外部電容（CP 和 COUT）。SEPIC電源的工作也包括兩個階段，但對其工作方式的討論不是非常廣泛，因為相對更為復雜，而其應用也是近期才流行起來。 同樣，為簡化分析，我們考察一個L1 和 L2都工作在連續電流模式的固定頻率SEPIC穩壓器。 為理解SEPIC穩壓器的工作，我們首先從平衡狀態開始，這時開關都是關斷的。沒有直流電流通過CP。CP端的電壓（從左到右）是VIN，其左側通過L1連接到VIN，右側通過L2連接到地。 在開關導通階段，L1右側連接到地，VIN就是其兩端的電壓。CP左側電平轉接到地，由于CP兩端的電壓是VIN，因此CP右側的電壓是?VIN。L2的下端接地，同時與CP并聯，因此其上端電壓為?VIN。二極管D1現在是反向偏置，因此沒有電流通過。 在此階段，L1由VIN充電， L2由CP進行充電。由于D1是反向偏置的，兩個電感都不對COUT進行充電或為負載供電。負載電流由COUT提供。因此，兩個電感的電流都以線性方式上升，在開關導通階段的開始初始值為iL1和iL2, 在開關導通階段結束時的最終值分別為iH1和iH2 (參考圖6)。 電感兩端電壓與通過電感的電流之間的關系為： V=L(di/dt) 方程(3) 從公式3推導出，在開關導通階段電感L1和L2的電壓-電流關系如下： iH1-iL1=(VIN-0)tON/L1=VINtON/L1 方程(4a) iH2-iL2=(0-(-VIN))tON/L2=VINtON/L2 方程(4b) 在開關導通階段，由于通過L1的電流不能瞬時變化，因此同樣的電流流出L1的右側，迫使L1右側電平從地上升到高于VIN。這同時將CP左側的電平移至高于VIN，從而導致電流從其右側流出，使D1處于正向偏置。這樣CP右側的電壓，即L2上端的電壓，也等于VOUT（忽略二極管的小壓降）。此外，我們已經確定 CP 兩端（從左到右）的電壓為VIN，因此 CP 和 L1 之間結點的電壓現在為VIN+VOUT。 來自L1和L2電感的電流現在開始對 COUT 充電并為負載提供電流。因此，兩個電感的電流都以線性方式下降，在開關斷開階段的開始初始值為 iH1和iH2, 在開關斷開階段結束時的最終值分別為iL1和iL2(參考圖6)。 在開關斷開階段，L1和L2電感上的電壓-電流關系為： iL1-iH1=(VIN-(VIN+VOUT))(T-tON)/L1=-VOUT(T-tON)/L1 方程(5a) iL2-iH2=(0-VOUT)(T-tON)/L2=-VOUT(T-tON)/L2 方程(5b) 從方程4a和5a，或方程4b和5b， 可以導出VOUT： VOUT=VINtON/(T-tON) 方程(6a) 方程6a還可以表示為： VOUT=VIND/(1-D) 方程(6b) 其中D為占空比，等于tON/T。 從方程6a 和 6b，我們可以看出，SEPIC穩壓器的輸出電壓既可以高于輸入電壓，也可以低于輸入電壓，因為D/(1 -D)的值既可大于1，也可小于1。 比較 穩壓電荷泵轉換器和SEPIC穩壓轉換器都可以輸出高于或低于輸入電壓的穩壓電壓。對于成本敏感和避免設計復雜性的應用來說，穩壓電荷泵比SEPIC穩壓器更為適用。 穩壓電荷泵解決方案不需要電感，因此比基于SEPIC的解決方案更為簡單。因此，與SEPIC穩壓器相比，穩壓電荷泵轉換器解決方案在設計上更簡單，外形尺寸更小，成本更低。 另一方面，SEPIC穩壓器能夠在所有負載電壓和電流狀態下提供較高的效率，因此對于具有這種需求的場合是更合適的選擇。此外，作為基于電感的DC/DC拓撲結構，SEPIC穩壓器能夠比穩壓電荷泵轉換器輸出更大的電流。 結論 穩壓電荷泵式和電感式DC/DC轉換器（包括降壓、升壓以及SEPIC穩壓器）之間的比較可總結如下： ?穩壓電荷泵式解決方案通常設計更簡單、尺寸較小、成本更低。 ?在許多情況下，SEPIC穩壓轉換器效率較高，并且可以輸出較大電流。 因此設計工程師應當根據系統要求和設計要求進行折衷，選擇最適合的電源轉換器拓撲結構。 |
