电荷泵工作原理.doc

1、电荷泵电压反转器是一种 DC/DC 变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即VOUT= -VIN。另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即 VOUT2VIN。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（Charge Pump Converter）。电荷泵的应用电荷泵转换器常用于倍压或反压型 DC-DC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达 1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要

2、正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用 23MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。虽然有一些 DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广泛的应用。目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能工作。例如，D/A 变换器电路、A/D 变换器电路、V/F

3、 或 F/V 变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自 INTERSIL 公司开发出 ICL7660 电压反转器 IC 后，用它来获得负电源十分简单，90 年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用。现在的电荷泵可以输出高达 250mA 的电流，效率达到 75%(平均值)。电荷泵大多应用在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。 便携式电子产品发展神速，对电荷泵变换器提出不同的要求

4、，各半导体器件公司为满足不同的要求开发出一系列新产品，本文将作一个概况介绍。电荷泵的分类电荷泵分类电荷泵可分为： 开关式调整器升压泵，如图 1(a)所示。 无调整电容式电荷泵，如图 1(b)所示。 可调整电容式电荷泵，如图 1(c)所示。 图 1 电荷泵的种类电荷泵工作过程3 种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。电荷泵的结构电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。由于工作于较高的频率，

5、因此可使用小型陶瓷电容(1mF)，使空间占用小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供2 倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的 ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射 EMI 可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它的输出电压是工厂生产精密预置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,如图 2 所示它实际上是一个片上系统。图 2 电容式电荷泵内部结构电荷泵工作原理电荷泵变换器的基本工作原理

6、如图 3 所示。它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，外接两个电容 C1、C2 构成电荷泵电压反转电路。振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关 S1 及 S2；此脉冲经反相器反相后控制 S3 及 S4。当 S1、S2 闭合时，S3、S4 断开；S3、S4 闭合时，S1、S2 断开。当 S1、S2 闭合、S3、S4 断开时，输入的正电压 V+向 C1 充电（上正下负），C1 上的电压为 V+；当 S3、S4 闭合、S1、S2 断开时，C1 向 C2 放电（上正下负），C2 上充的电压为-VIN ，即 VOUT=-VIN。当振荡器以较高的频率不断控制 S1、S2 及 S3、S4 的闭合及断开时，输出端可

7、输出变换后的负电压（电压转换率可达 99%左右）。由图 3 可知，电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将有变化。输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）称为输出特性曲线，其特点是输出电流越大，输出电压变化越大。一般以输出电阻 Ro 来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到 Io 时，输出电压变化为V，则输出电阻 Ro 为：Ro = V/Io输出电阻 Ro 越小，输出电压变化越小，输出特性越好。如何选择电荷泵1、效率优先，兼顾尺寸如果需要兼顾效率和占用的 PCB 面积大小时，可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中，效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实

8、现 90% 的峰值效率，更重要的是外围只需少数几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及 MOSFET。这一点对于降低自身功耗，减少尺寸、BOM 材料清单和成本等至关重要。2、输出电流的局限性电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于 300mA，输出电压低于 6V。多用于体积受限、效率要求较高，且具有低成本的场合。换言之，对于 300mA 以下的输出电流和 90% 左右的转换效率，无电感型电荷泵 DC/DC 转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而，如果要求输出负载电流、输出电压较大，那么应使用电感开关转换器，同步整流等 DC/DC 转换拓扑。3、较低的输出纹波和噪声大多数的电

9、荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路，工作在相位差为 180 度的情形，这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波，从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且，与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比，电荷泵产生的噪声更低些。对于 RF 或其它低噪声应用，这一点使其无疑更具竞争优势。电荷泵选用要点作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素： 转换效率要高无调整电容式电荷泵 90%可调整电容式电荷泵 85%开关式调整器 83% 静态电流要小，可以更省电； 输入电压要低，尽可能利用电池的潜能； 噪音要小，对手机的整体电路无干扰； 功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机

10、设计更小巧； 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫； 封装尺寸小是手持产品的普遍要求； 安装成本低，包括周边电路占 PCB 板面积小，走线少而简单； 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为 0。 新型电荷泵变换器的特点80 年代末 90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以 ICL7660 为基础开发出一些改进型产品，如 MAXIM 公司的 MAX1044、Telcom 公司的 TC1044S、TC7660 和LTC 公司的 LTC1044/7660 等。这些改进型器件功能与 ICL7660 相同，性能上有改进，管脚排列与 ICL7660

11、完全相同，可以互换。这一类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频率低，使外接电容容量大；静态电流大。90 年代以后，随着半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展，各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进，并开发出一些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为：1. 提高输出电流及降低输出电阻早期产品 ICL7660 在输出 40mA 时，使-5V 输出电压降为 -3V（相差 2V），而新型MAX660 输出电流可达 100mA，其输出电阻 Ro 仅为 6.5，MAX660 在输出 40mA 时，-5V输出电压为-4.74V（相差仅 0

12、.26V），即输出特性有较大的提高。MAX682 的输出电流可达 250mA，并且在器件内部增加了稳压电路，即使在 250mA 输出时，其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品还有 AD 公司的 ADM8660、LT 公司的 LT1054 等。2. 减小功耗为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽可能减小器件的静态电流。近年来，开发出一些微功耗的新产品。ICL7660 的静态电流典型值为 170A，新产品 TCM828 的静态电流典型值为 50A，MAX1673 的静态电流典型值仅为 35A。另外，为更进一步减小电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使器件耗电降到 1A 以下，另外关闭负电

13、源后使部分电路不工作而进一步达到减少功耗的目的。例如，MAX662A、AIC1841 两器件都有关闭功能，在关闭状态时耗电 1A，几乎可忽略不计。这一类器件还有TC1121、TC1219、ADM660 及 ADM8828 等。3. 扩大输入电压范围ICL7660 电荷泵电路的输入电压范围为 1.510V，为了满足部分电路对更高负压的需要，已开发出输入电压可达 18 及 20V 的新产品，即可转换成-18 或-20V 的负电压。例如，TC962、 TC7662A 的输出电压范围为 318V，ICL7662 、Si7661 的输入电压可达 20V。4. 减少占印板的面积减少电荷泵变换器占印板面积有

14、两种措施：采用贴片或小尺寸封装 IC，新产品采用 SO封装、MAX 封装及开发出尺寸更小的 SOT-23 封装；其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时，电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关：工作频率越高，电容容量越小。工作频率在几 kHz 到几十 kHz 时，往往需要外接 10F 的泵电容；新型器件工作频率已提高到几百 kHz，个别的甚至到 1MHz，其外接泵电容容量可降到 10.22F 。ICL7660 工作频率为 10kHz，外接 10F 电容；新型 TC7660H 的工作频率提高到120kHz，其外接泵电容已降为 1F。MAX1680/1681 的工作频率高达 1MHz，在

15、输出电流为 125mA 时，外接泵电容仅为 1F。TC1142 工作频率 200kHz，输出电流 20mA 时，外接泵电容仅为 0.47F。MAX881R 工作频率 100kHz，输出电流较小，其外接泵电容仅为0.22F。若采用 SOT-23 封装的器件及贴片式电容，则整个电荷泵变换器的面积可做得很小。5. 输出负电压可设定（调整）一般的电荷泵变换器的输出负电压 VOUT = -VIN，是不可调整的，但新型产品MAX1673 可外接两个电阻 R1、R2 来设定输出负电压。输出电压 VOUT 与 R1、R2 的关系为：VOUT = -(R2/R1)VREF式中 VREF 为外接的基准电压。 MA

16、X881R、ADP3603ADP3605、AIC1840/1841 等都有这种功能。6. 两种新型的四倍压器件MAX662A 是一种输入 5V 电压输出 12V 带稳压的电荷泵变换器，输出电流可达30mA，它用于闪速存储器编程电源（Flash Memory Programming Supply）。该器件实际上是经两次倍压（四倍压）后其经稳压后输出。LTC1502 是另一种工作原理与 MAX662A 相同的四倍压器件（它是 LT 公司 1999 年一季度推出的新产品）。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出 3.3V 稳定的电压。另外，它最低的输入电压为 0.9V，可充分利用电池的能量。输出电压精度为3.3V4%，输出电流为 10mA。该器件静态电流仅为 40A，并有关闭电源控制，外围元件仅 5 个电容，若采用贴片式电容，整个电源面积小于 0.125 平方英寸。