電子設計 發表於 2019-04-01 08:35:00
由環境能源或小型可充電電池供電，可穿戴設備和物聯網（IoT）設備等緊湊型產品面臨著將更複雜的功能集成到更小型設計中的持續挑戰。作為這些設計的核心，穩定的電源電壓對於確保微控制器和滿足應用要求所需的其他複雜設備的可靠運行至關重要。雖然電感器一直是電源設計的主要支柱，但工程師可以利用一類無電感的DC/DC轉換器和穩壓器來平衡複雜功能和新興應用所需的微小解決方案的需求。
隨著整體功能，尺寸和電池壽命的增加，對於競爭激烈的可穿戴設備和物聯網市場中的產品越來越重要。對於這些產品，設計人員可以根據外形尺寸削減幾毫米的分數，傳統開關穩壓器所需的外部電感器具有明顯的尺寸劣勢。同時，需要增加或反轉電源，這需要一種比傳統線性穩壓器更複雜的解決方案。
在使用電感器和簡單線性穩壓器的高效穩壓器之間，電荷泵器件提供了有效的中間效應地面。雖然這些器件可能無法達到基於頂部電感的轉換器所能達到的最高效率水平，但它們確實提供了易用性，小尺寸和這些設備所沒有的堅固性能的組合。電荷泵操作不依賴於龐大的電感器，而是依賴於少量薄而廉價的陶瓷電容器。與基於電感的穩壓器一樣，電荷泵設備有升壓，降壓和反相兩種版本，而更先進的電荷泵實際上可以實現接近感應解決方案的效率。
電荷泵運行
電荷泵或開關電容轉換器通過對外部電容器充電和放電來提供電力。對於這些電路，通常建議使用表面貼裝多層陶瓷電容器。這些電容器體積小，成本低，與鉭電容器和鋁電解電容器相比，具有極低的等效串聯電阻。
先進的電荷泵器件具有高度的靈活性和集成的電源管理功能。然而，所有電荷泵基本上都是通過打開和關閉內部開關來運行的（圖1）。振蕩器成對驅動開關：在前半周期，開關S1和S3閉合;在下半場，S1和S3開放，S2和S4關閉。該動作將C1的正端子連接到地並將負端子連接到VOUT，因此C1然後與儲存電容器C2並聯。如果C2兩端的電壓小於C1兩端的電壓，則電荷從C1流向C2，直到C2兩端的電壓達到 - （V +）。
圖1：在傳統的電荷泵裝置中，集成振蕩器打開和關閉內部開關，使用快速電容C1從輸入端傳輸電荷，並在輸出端傳輸儲能電容C2上的升壓電壓。 （由Maxim Integrated提供）
用於Intersil ICL7660等原型電荷泵，這種驅動開關的簡單方法產生不受控制的輸出電壓，因為集成振蕩器以固定頻率工作，適用於所有負載。因此，ICL7660和其他簡單電荷泵的輸出電壓會隨著負載電流的變化而顯著變化（圖2）。
圖2：傳統的非穩壓電荷泵（如Intersil ICL7660）的輸出電壓會隨著負載電流的變化而顯著變化。 （由Intersil提供）
傳統的單輸出固定頻率器件，如ICL7660，在低振蕩器頻率和低負載水平下可實現90％的效率。然而，在低頻下工作會增加開關損耗，並且在更高的頻率和增加的負載下，效率會顯著下降。最近的電荷泵設備進一步達到了過去只能從基於電感的開關穩壓器解決方案中獲得的效率水平。例如，Maxim MAX860非穩壓電荷泵IC在大部分負載電流範圍內提供超過90％的效率。
穩壓輸出
設計人員可以通過使用電荷泵輸出驅動一個簡單的線性穩壓器 - 最好是低壓輸出（LDO）穩壓器，如Maxim Integrated MAX8881。或者，設計人員可以找到包含用於穩壓輸出電壓和多種節能模式的集成功能的電荷泵。例如，Maxim Integrated MAX682在其負載電流範圍內提供固定輸出電壓（圖3）。
圖3：Maxim Integrated MAX682等最新的電荷泵器件在更大的負載電流範圍內提供高效率。 （由Maxim Integrated提供）
除了使用電荷泵設備常用的固定頻率開關操作外，穩壓電荷泵還使用特殊的跳躍模式來調節輸出電壓。在Maxim MAX682等跳躍模式器件中，當檢測到輸出高於穩壓輸出電壓（MAX682為5 V）時，集成誤差放大器會禁用開關。然後，器件跳過開關周期，直到輸出電壓下降，誤差放大器重新激活振蕩器。由於跳過模式僅激活內部振蕩器，因此具有跳過模式的器件也可以表現出更低的靜態電流和更低的開關耗散 - 對於環境和電池供電的可穿戴設備和物聯網設備尤為重要。
對於許多應用而言，電池或能量收集電源的輸入電壓電平會有所不同。在這種情況下，傳統的電荷泵調節器可能在其理想的工作範圍之外被很好地驅動，從而降低了效率。出現這種情況是因為電荷泵增益是固定的，並受開關電容和片上開關數量的限制。德州儀器（TI）LM2773等器件通過集成提供多重功能所需的控制功能，滿足了對更靈活的電荷泵不斷增長的需求（圖4）。 LM2773採用穩壓電荷泵，增益為2/3x和1x，輸入電壓範圍為2.5 V至5.5 V，適用於單節鋰離子電池。該器件可在高達300 mA的負載下產生可選的1.8 V或1.6 V穩壓輸出。
圖4：電荷泵穩壓器（如德州儀器LM2773）集成了多次操作所需的功能，可確保在寬電源電壓範圍內實現高效率。 （德州儀器公司提供）
對於需要正電壓和負電壓電源的設計，工程師可以將一對簡單的電荷泵設備組合在一起，或者更好地轉向多路轉換器IC，例如Linear Technology LTC3265 。該器件採用一對電荷泵構建，提供簡單的無電感解決方案，結合了可變輸入源的工作能力，同時提供多個輸出軌（圖5）。每個電荷泵驅動一個專用的LDO穩壓器，能夠驅動高達50 mA的輸出電流，並使用外部電阻分壓器對輸出電壓進行編程。
圖5：對於需要多個電源軌的應用，凌力爾特公司的LTC3265集成了一對電荷泵電路，簡化了設計。 （由凌力爾特公司提供）
環境和電池供電設計通常會將其大部分工作時間用於低功耗睡眠狀態，定期喚醒樣品溫度，心率或其他相對較低的事件周期性。在這些應用中，MCU通常必須在內部RAM中保留先前的採樣和其他狀態信息，即使MCU進入低功耗模式，也必須保持供電以保留該數據。因此，設計人員經常面臨向RAM提供電源同時關閉穩壓電源電路中所有其他用電設備的問題。
在使用電荷泵的系統中，設計人員可以使用電源管理IC構建簡單的解決方案禁用電荷泵，同時繼續維持MCU的電壓源以保持RAM。例如，設計人員可以在TI REG710等電荷泵和TI MSP430F200等MCU之間插入Texas Instruments TPS3619電池備用監控IC（圖6）。
圖6：為了限制功耗，設計人員可以使用MCU發出的信號關閉TI REG710等電荷泵穩壓器。當REG710輸出降至閾值以下時，TI TSP3619 PMIC可以將電源切換到電池 - 為MCU提供足夠的電源以保持RAM狀態，同時消除REG710和其他電路的功耗。 （德州儀器公司提供）
當MCU完成其處理，已存儲其數據並準備進入低功耗狀態時，它可以禁用REG710電荷泵。當REG710禁用時，輸出電壓會降低，直至低於TPS3619的內部跳變電壓VIT。此時，TPS3619將VOUT從REG710的輸出切換到VBAT輸入 - 因此系統消耗的功率最小，同時MCU繼續接收足以保留RAM的電源。
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