電荷泵(charge pump): 電容型調整器,不依賴電感。
顧名思義,多半用於產生比輸入電壓大的輸出電壓,或產生負的輸出電壓。
僅限於小功率應用;電荷泵的效率很高,約爲90%-95%。(負載電流小於300mA)
體積小,低靜態電流,低噪聲。
低噪聲:
低電磁干擾。因爲沒有磁場的高速變換,即電一磁、磁一電的高速變換,而只有對電容的高速充、放電過程,電磁干擾問題幾乎可以忽略。
體積小、低成本:
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電路,但電荷泵電壓反轉器僅需外接兩個電容,電路最簡單,尺寸小,並且轉換效率高、耗電少,所以它獲得了極其廣泛的應用。
小功率倍壓、電壓反轉應用。
電荷泵有倍壓型和反壓型兩種基本電路形式:
反壓型:它將輸入的正電壓轉換成相應的負電壓,即VOUT= -VIN。
倍壓型:它也可以把輸出電壓轉換成近兩倍或更多倍的輸入電壓,即VOUT≈2VIN。
原理:
電荷泵的基本原理是給電容充電,把電容從充電電路取下以隔離充進的電荷,然後連接到另一個電路上,傳遞剛纔隔離的電荷。我們形象地把這個傳遞電荷的電容看成是“裝了電子的水桶”。從一個大水箱把這個桶接滿,關閉龍頭,然後把桶裏的水倒進一個大水箱。電荷泵也稱爲開關電容式電壓變換器,是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容,而非電感或變壓器來儲能的DC-DC變換器(直流變換器)。它們能使輸入電壓升高或降低,也可以用於產生負電壓。其內部的MOSFET開關陣列以一定的方式控制快速電容器的充電和放電,從而使輸入電壓以一定因數(1/2,2或3)倍增或降低,從而得到所需要的輸出電壓。
分析:
如圖所示的電路圖中,電荷泵的電壓變換在兩個階段內實現。在第一個階段,開關S1和S2關閉,而開關S3和S4打開,電容C1充電到輸入電壓:
在第二階段,開關S3和S4關閉,而S1和S2打開。因爲電容C1兩端的電壓降不能立即改變,輸出電壓跳變爲輸入電壓的兩倍。
電荷泵的選型依據:
小靜態電流;
低的或者合適的輸入電壓,;
噪音小,對系統電路影響小;
功能集成度要高,提高單位面積的使用效率,;
足夠的輸出調整能力,電荷泵不會因工作在滿負荷狀態而發燙;
封裝尺寸,及安裝成本低,外圍器件少,走線少而簡單;
移動設備要求具有關閉控制端,可在長時間待機狀態下關閉電荷泵,降低能耗。