電荷泵（也稱為無電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器）是利用電容作為儲(chǔ)能元件的特殊類型開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器。與采用電感作為儲(chǔ)能元件的電感式開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器相比，電荷泵式轉(zhuǎn)換器所具有的獨(dú)特特點(diǎn)使其對(duì)于某些最終應(yīng)用非常具有吸引力。本文將對(duì)比穩(wěn)壓電荷泵轉(zhuǎn)換器與最常用的電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器(如電感式降壓穩(wěn)壓器、升壓穩(wěn)壓器以及單端初級(jí)電感式轉(zhuǎn)換器(SEPIC))的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)。
穩(wěn)壓式電荷泵轉(zhuǎn)換器
最簡(jiǎn)單也是最常用到的電荷泵結(jié)構(gòu)之一是倍壓電荷泵。倍壓電荷泵結(jié)構(gòu)包括四個(gè)開關(guān)、一個(gè)用于存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移能量的外部電容(常稱為“快速電容”)，以及一個(gè)外部輸出電容(常稱為“儲(chǔ)能電容”)。
圖1是倍壓電荷泵的結(jié)構(gòu)圖。這種倍壓電荷泵的工作由兩個(gè)階段組成——充電(能量?jī)?chǔ)存)和放電(能量轉(zhuǎn)移)。
在充電階段，開關(guān)S1/S3閉合（導(dǎo)通），S2/S4打開（關(guān)斷）�？焖匐娙軨F被充電到輸入電壓VIN，并儲(chǔ)存能量，儲(chǔ)存的能量將在下一個(gè)放電階段被轉(zhuǎn)移。儲(chǔ)能電容CR，在上一個(gè)放電周期就已經(jīng)被從CF轉(zhuǎn)移過來的能量充電到2VIN 電壓，并提供負(fù)載電流。
在放電階段，開關(guān)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(jīng)充電至VIN，因此CR兩端的總電壓現(xiàn)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(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到CR，并且提供負(fù)載電流。
充電/放電周期的頻率取決于時(shí)鐘頻率。通常傾向于采用較高的時(shí)鐘頻率來降低對(duì)快速電容和儲(chǔ)能電容容值的要求，從而減小體積。
圖1所示簡(jiǎn)單倍壓電荷泵沒有對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，因此其輸出電壓隨著輸入電壓和負(fù)載的變化而變化。對(duì)需要穩(wěn)壓電源的應(yīng)用，這并不合適。然而，只需要增加一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)非常簡(jiǎn)單的、具有穩(wěn)定輸出的倍壓電荷泵，通常稱為“穩(wěn)壓式電荷泵”。
圖2中，增加了一個(gè)開關(guān)S5來對(duì)開關(guān)S2/S4提供更多控制。由 VOUT 經(jīng)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(tài)。比較器通常都內(nèi)置滯后特性，以防止出現(xiàn)振蕩。比較器、電阻分壓器、參考電壓和S5開關(guān)共同構(gòu)成了反饋回路。反饋回路通過控制放電階段中開關(guān)S5 和 S2/S4的開關(guān)狀態(tài)來調(diào)整電荷泵的輸出電壓。
在放電階段，如果 VOUT低于預(yù)設(shè)的穩(wěn)壓輸出電壓，比較器會(huì)閉合S5，從而閉合S2和S4。這樣CF就可以將能量轉(zhuǎn)移到CR和負(fù)載，從而使VOUT上升到預(yù)設(shè)電壓。當(dāng) VOUT達(dá)到預(yù)設(shè)電壓時(shí)，比較器會(huì)打開S5，從而打開S2和S4，終止能量轉(zhuǎn)移過程。如果VOUT 在放電階段無法上升到預(yù)設(shè)電壓，那么S5、S2和S4會(huì)一直保持閉合狀態(tài)直至放電階段結(jié)束。
另一方面，如果 VOUT高于預(yù)設(shè)的穩(wěn)壓輸出電壓，比較器會(huì)打開S5，從而S2和S4打開。這樣這中止了CF 將能量轉(zhuǎn)移到CR和負(fù)載的過程，從而使VOUT下降到預(yù)設(shè)電壓。如果在這一放電階段VOUT無法下降到預(yù)設(shè)電壓，那么S5、S2和S4會(huì)一直保持打開狀態(tài)。
通過調(diào)整分壓器中電阻R1和R2的阻值，穩(wěn)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(chǔ)能元件的降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器等常用DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常做不到這一點(diǎn)。
降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器
目前的電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作方式絕大多數(shù)都是周期性的，其周期T由時(shí)鐘頻率控制。本文中為簡(jiǎn)化分析，我們僅考察連續(xù)電流模式工作的固定頻率電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器。電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作也包括兩個(gè)階段：開關(guān)導(dǎo)通(閉合)和開關(guān)關(guān)斷(打開)。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 tON由反饋回路控制，導(dǎo)通時(shí)間由輸出電壓VOUT與預(yù)設(shè)電壓之間的偏差值來決定。因此，開關(guān)關(guān)斷持續(xù)時(shí)間為T- tON (參見圖3)。
降壓穩(wěn)壓器的工作原理一般非常易于理解。穩(wěn)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(wěn)壓器的輸出電壓始終低于輸入電壓，因?yàn)檎伎毡菵始終小于1。圖4給出了降壓穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)。
升壓穩(wěn)壓器的工作原理一般也非常容易理解，其穩(wěn)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(zhuǎn)換器的輸出電壓始終高于輸入電壓，因?yàn)?/(1 - D) 始終大于1。圖5給出了升壓穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)。
因此，對(duì)于需要穩(wěn)壓輸出電壓既可高于輸入電壓又可低于輸入電壓的應(yīng)用，降壓或升壓穩(wěn)壓器都不太合適。
單端初級(jí)電感式轉(zhuǎn)換器（SEPIC）
另一種應(yīng)用日益廣泛的電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器是SEPIC結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是輸出的穩(wěn)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(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的區(qū)別在于，采用兩個(gè)外部電感（L1和L2）以及兩個(gè)外部電容（CP 和 COUT）。SEPIC電源的工作也包括兩個(gè)階段，但對(duì)其工作方式的討論不是非常廣泛，因?yàn)橄鄬?duì)更為復(fù)雜，而其應(yīng)用也是近期才流行起來。
同樣，為簡(jiǎn)化分析，我們考察一個(gè)L1 和 L2都工作在連續(xù)電流模式的固定頻率SEPIC穩(wěn)壓器。
為理解SEPIC穩(wěn)壓器的工作，我們首先從平衡狀態(tài)開始，這時(shí)開關(guān)都是關(guān)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(cè)通過L1連接到VIN，右側(cè)通過L2連接到地。
在開關(guān)導(dǎo)通階段，L1右側(cè)連接到地，VIN就是其兩端的電壓。CP左側(cè)電平轉(zhuǎn)接到地，由于CP兩端的電壓是VIN，因此CP右側(cè)的電壓是−VIN。L2的下端接地，同時(shí)與CP并聯(lián)，因此其上端電壓為−VIN。二極管D1現(xiàn)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(jìn)行充電。由于D1是反向偏置的，兩個(gè)電感都不對(duì)COUT進(jìn)行充電或?yàn)樨?fù)載供電。負(fù)載電流由COUT提供。因此，兩個(gè)電感的電流都以線性方式上升，在開關(guān)導(dǎo)通階段的開始初始值為iL1和iL2, 在開關(guān)導(dǎo)通階段結(jié)束時(shí)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(guān)系為：
V=L(di/dt) 方程(3)
從公式3推導(dǎo)出，在開關(guān)導(dǎo)通階段電感L1和L2的電壓-電流關(guān)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(guān)導(dǎo)通階段，由于通過L1的電流不能瞬時(shí)變化，因此同樣的電流流出L1的右側(cè)，迫使L1右側(cè)電平從地上升到高于VIN。這同時(shí)將CP左側(cè)的電平移至高于VIN，從而導(dǎo)致電流從其右側(cè)流出，使D1處于正向偏置。這樣CP右側(cè)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(jīng)確定 CP 兩端（從左到右）的電壓為VIN，因此 CP 和 L1 之間結(jié)點(diǎn)的電壓現(xiàn)在為VIN+VOUT。
來自L1和L2電感的電流現(xiàn)在開始對(duì) COUT 充電并為負(fù)載提供電流。因此，兩個(gè)電感的電流都以線性方式下降，在開關(guān)斷開階段的開始初始值為 iH1和iH2, 在開關(guān)斷開階段結(jié)束時(shí)的最終值分別為iL1和iL2(參考圖6)。
在開關(guān)斷開階段，L1和L2電感上的電壓-電流關(guān)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(dǎo)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(wěn)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?yàn)镈/(1 -D)的值既可大于1，也可小于1。
比較
穩(wěn)壓電荷泵轉(zhuǎn)換器和SEPIC穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器都可以輸出高于或低于輸入電壓的穩(wěn)壓電壓。對(duì)于成本敏感和避免設(shè)計(jì)復(fù)雜性的應(yīng)用來說，穩(wěn)壓電荷泵比SEPIC穩(wěn)壓器更為適用。
穩(wěn)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(jiǎn)單。因此，與SEPIC穩(wěn)壓器相比，穩(wěn)壓電荷泵轉(zhuǎn)換器解決方案在設(shè)計(jì)上更簡(jiǎn)單，外形尺寸更小，成本更低。
另一方面，SEPIC穩(wěn)壓器能夠在所有負(fù)載電壓和電流狀態(tài)下提供較高的效率，因此對(duì)于具有這種需求的場(chǎng)合是更合適的選擇。此外，作為基于電感的DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，SEPIC穩(wěn)壓器能夠比穩(wěn)壓電荷泵轉(zhuǎn)換器輸出更大的電流。
結(jié)論
穩(wěn)壓電荷泵式和電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器（包括降壓、升壓以及SEPIC穩(wěn)壓器）之間的比較可總結(jié)如下：
•穩(wěn)壓電荷泵式解決方案通常設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、尺寸較小、成本更低。
•在許多情況下，SEPIC穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器效率較高，并且可以輸出較大電流。
因此設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)要求和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行折衷，選擇最適合的電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
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