电荷泵原理及应用大学论文Word文档格式.docx
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关键词：
电荷泵；
原理；
应用
ThePrincipleandApplicationofChargepump
Abstract:
Chargepumpiswidelyusedinthemodernpowermanagementcircuitbecauseofitshighconversionefficiencyandfewerexternalcomponents.Thisarticleintroducestheworkingprincipleofchargepumpanditsapplicationinthemodernelectronicindustryfromtheperspectiveofapplication.AnddescribetheLEDdriverbasedonchargepumpindetail,thenmakeaconclusion.Thediscussionandconclusionofthisarticleistheessentialreferenceforustomastertheprincipleofchargepumpandlearnhowtouseitreasonably.
Keywords:
chargepump;
principle;
application
1引言
随着科技的高速发展，移动电话、平板电脑等便携式移动设备已成为每家每户现代生活的必需品。
这些便携式移动设备大多以电池供电，其负载电路通常是微处理器控制的设备，此类设备要求供电电源的效率要高、输出电压的纹波要小。
DC-DC变换器（直流变换器）就是把未经调整的电源电压转化为符合设计需求的电源电压。
传统的开关电源通常使用一个电感实现DC-DC变换，但是电感体积庞大、容易饱和、会产生EMI，而且电感价格昂贵。
为解决此类问题，现代电源通常采用电荷泵电路。
电荷泵采用电容储存能量，外接组件少，非常适合用于便携式设备中，并且随着其电路结构的不断改进和工艺水平的提高，也可应用在需要较大电流的应用电路中。
因此高效率电荷泵DC-DC转换器因其功耗小，成本低，结构简单，无需电感、二极管、MOSFET等外围组件、EMI抑制能力强等优点，在电子设备电源电路中己得到广泛应用[15]。
2电荷泵的原理
2.1电荷泵的基本原理
电荷泵的基本原理是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。
我们形象地把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。
从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒进一个大水箱[8]。
电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容，而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器（直流变换器）。
它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。
其内部的MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数（1/2,2或3）倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。
这种特别的调制过程可以保证高达80%及以上的效率，而且只需外接陶瓷电容[7]。
由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI。
电荷泵作为目前常用的DC-DC可以实现逆变器、分路器或者增压器的功能，逆变器将输入的正电压转换成一个负电压输出。
作为分路器使用时，输出电压是输入电压的一部分，例如1.5倍压或2/3倍压。
作为增压器时，它可以提供1.5倍压或者2倍压的增益[1]。
2.2理想电荷泵模型及其原理简介
理想电荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，其基本思想就是通过电容对电荷的积累效应来产生高电压，使电流由低电势流向高电势。
当时这种电路是为了提供可擦写EPROM所需要的电压而设计的。
后来J.Witters、ToruTranzawa等人对J.Dickson的电荷泵模型进行改进，提出了比较精确的理论模型，并通过实验加以证实，提出了一些理论公式。
随着集成电路技术的不断发展，基于低功耗、低成本的考虑，电荷泵在电子设备电源电路中的应用也越来越广泛了。
四阶Dickson电荷泵原理图如图1所示[15]。
图1所示电路的工作原理是：
当Uf为低电平时，MD1管导通，UIN对结点1相连的电容进行充电，直到结点1的电压变为
；
当Uf为高电平时，结点1的电压变为
，此时MD2导通，对与结点2相连的电容进行充电，直至结点2的电压变为
，Uf再度变为低电平，结点2上的电压为
，如此循环，直到完成四级电容的充放电，可以获得的输出电压为：
由此可以得到，N级倍压电荷泵的电压增益为：
图1四阶Dickson电荷泵原理图[8]
2.3电荷泵的工作过程
电荷泵的工作过程为首先储存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。
电荷泵采用电容器来储存能量，并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[4]。
最简单也是最常用的电荷泵结构之一是倍压电荷泵，我们以倍压电荷泵来做原理说明：
电容是存储电荷或电能并按预先确定的速度和时间放电的器件。
如果一个理想的电容以理想的电压源UG进行充电如图2（a）所示，依据Dirac电流脉冲函数立即存储电荷如图2（b）所示，则存储的总电荷数量按下式计算：
（a）理想情况下电容充电电路（b）理想情况下电容充电电压和电流波形
（c）实际情况下电容充电电路（d）理想情况下电容充电电压和电流波形
图2理想和实际情况下电容的充电电路、充电电压波形、充电电流波形[4]
实际的电容具有等效串联阻抗（ESR）和等效串联电感（ESL），两者都不会影响到电容存储电能的能力。
然而，它们对开关电容电压变换器的整体转换效率有很大的影响[12]。
实际电容充电的等效电路如图2（c）所示，其中RSW是开关的电阻。
图2（d）为实际情况下的电流充电电压和电流波形。
充电电流路径具有串联电感，通过适当的器件布局设计可以减小这个串联电感。
一旦电路被加电，将产生指数特性的瞬态条件，直到达到一个稳态条件为止。
电容的寄生效应限制了峰值充电电流，并增加了电荷转移时间。
因此，电容的电荷累积不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变化为零[8]。
电荷泵就是利用电容的这种特性进行工作的，如图3（a）所示。
电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。
在第一个阶段，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容C1充电到输入电压：
在第二阶段，开关S3和S4关闭，而S1和S2打开。
因为电容C1两端的电压降不能立即改变，输出电压跳变为输入电压的两倍。
使用这种方法可以实现电压的倍压，通常开关信号的占空比为50%时，能产生最佳的电荷转移效率。
图3（b）中显示了开关电容的倍压器的稳态电流和电压波形。
根据功率守恒原理，平均输入电流是输出电流的两倍。
在第一阶段，充电电流流入C1。
该充电电流的初始值决定于电容C1两端的初始电压、C1的ESR以及开关的电阻。
在C1充电后，充电电流呈现指数级地降低。
充电时间常数是开关周期的几倍，更小的充电时间常数将导致峰值电流增加。
在这个时间内，输出电容CO线性放电以提供负载电流[8]。
在第二阶段，C1的正端连接到输出端，放电电流（电流大小与前面的充电电流相同）通过C1流向负载。
在这个阶段，输出电容电流的变化大约为2IO。
尽管这个电流变化应该能产生输出电压变化为
，使用低ESR的陶瓷电容使得这种变化可以忽略不计。
（a）电荷泵电路（b）相关波形
图3电荷泵工作基本原理图[8]
此时，CO线性地充电。
当C1连接到输入端和地之间时，CO线性地放电。
总的输出纹波峰峰电压值为：
对于更高的开关频率，可以采用更小的输出电容来获得相同的纹波，电荷泵的寄生效应导致输出电压随着负载电流的增大而下降。
事实上，总是存在大小为2Io的电流通过C1和两个开关的导通电阻（2RSW），导致产生的功耗为[6]：
除了这些纯粹的电阻损耗，电流IO流过开关电容C1的等效电阻产生的功耗为：
CO的RMS电流等于IOUT，导致产生的功耗为：
所有这些损耗可以用下面的等效电阻进行汇总：
这样一来，电荷泵的输出电压为：
因为陶瓷电容具有低的ESR值以及高的开关频率，输出纹波以及输出电压降取决于开关电阻。
利用更多的开关和电容可以实现附加的电压转换。
图4为电荷泵开关工作示意图。
同样，电压转换在两个阶段内实现。
在第一阶段，开关S1~S3关闭，而开关S4~S8打开。
因此，C1和C2并联。
假设C1等于C2，则充电到一半的输入电压。
图4电荷泵开关工作电路图[6]
输出电容Co提供负载电流，随着输出电容的放电，输出电压降低到期望输出电压以下。
在第二阶段，C1和C2并联，并连接在UIN和Uo之间。
开关S4~S7关闭，而S1~S3和S8打开。
因为电容两端的电压降并不能突变，输出电压跳变到输入电压的1.5倍。
若关闭S8并保持S1~S7打开，则电压转换可以获得1倍压（线性模式）的增益[14]。
按照上诉原理进行推究，我们可以依电荷泵的输出电压不同可分为2倍压、1.5倍压以及当输入UIN为负电压时的负电压结构。
在实际应用中，电荷泵变换器也常作为倍压变换器和电压反转器在电路中使用。
3电荷泵的应用
在过去的十年，电荷泵在电子科技发展中得到了非常广泛的运用，从未调整单输出IC到带多输出电压的调整IC。
输出功率和效率也得到了快速发展，因此现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流，转换效率最高可以达到95%。
电荷泵大多应用在需要使用电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备等。
其主要应用包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器等[10]。
本文主要论述基于电荷泵的LED驱动电路。
3.1基于电荷泵的LED驱动电路的基本原理
白光LED的正向压降可以高达4V，但是目前的大量手持电子设备多以单一锂离子电池供电，此时已经无法再由设备电源直接驱动白光LED，而必须借助于各类电源变换器件。
可以用作白光LED驱动器的电源变换器包括不少种类，其中应以电压输出型电荷泵电路最为简单[6]。
电荷泵，也称为无感式DC-DC转换器，它是利用电容作为储能元件的特殊类型的开关DC-DC变换器。
电荷泵解决方案利用分离电容器将电源从输入端传送至输出端，整个过程不需使用任何电感，所以是受欢迎的解决方案。
电荷泵电源的体积很小，设计也很简单，选择组件时通常只需要根据组件规格从中挑选适当的电容器。
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的提升，采用电容器来储能能量。
电荷泵是无需电感的，但需要外部电容器。
由于工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容器（1mF左右），其占用空间小，使用成本低。
电荷泵仅用外部电容即可提供
倍的输出电压，其损耗主要来自电容器的ESR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器来滤除。
它的输出电压是在工厂生产时精密预置的，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[13]。
选用电荷泵时必然要考虑以下几个要素[3]：
（1）转换效率要高。
无调整电容式电荷泵的转换效率为90%，可调整电容式电荷泵的效率为85%，开关式调整器的效率为83%。
（2）静态电流要小，可以更省电；
输入电压要低，尽可能利用电磁的潜能；
噪声要小，对整体电路无干扰；
功能集成度要高，能提高单位面积的使用效率。
（3）具有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。
（4）安装成本低，包括周边电路占PCB面积小，走线少而简单。
（5）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零。
电荷泵解决方案在应用中也有缺点，其主要缺点是：
只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵的转换比率最多只能达到输入电压的2倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的2倍。
因此，若想利用电荷泵驱动一个以上的白光LED，就必须采用并联驱动的方式。
利用只能对输出电压进行稳压的电荷泵驱动多个白光LED时，必须使用镇流电阻来防止电流分配不平均，但这些电阻会缩短电池的使用时间[14]。
基于电荷泵的LED驱动器框图如图5所示。
这种电荷泵内置4个开关，驱动4个并联的白光LED。
对于开关电容型LED驱动器，根据能量守恒原理，其输入电流会随着电压增益而变化。
在1倍压情况下，输入电流与输出电流相等；
在2倍压时，输入电流为输出电流的2倍.
3.2电荷泵LED驱动器的主要特点
电荷泵驱动器用来驱动若干个相并联的LED，其最大的优势是无须使用电感元件，具有LED亮度一致，尺寸小、成本低、噪声低、辐射EMI小以及控制能力强等特点。
但是，这种拓扑结构的效率比电感升压变换器低，尤其是带电压调节的电荷泵的效率往往不足70%。
另外，电荷泵不仅输出电流受限制，而且所驱动的LED数量受封装水平和引脚数量的限制，欲将12只以上的LED并联应用难度很大。
图5基于电荷泵的LED驱动器框图[4]
3.3MAX1576电荷泵驱动LED的电路
MAX1576电荷泵驱动LED的电路如图6所示。
MAX1576是美信公司生产的一种用于照相手机背光照明和闪光灯的电荷泵白光LED驱动器IC，提供软启动、输出过压保护和热关断保护、自适应（1倍、1.5倍、2倍）模式切换以及灵活的亮度控制等功能，可驱动8个白光LED。
基本的电荷泵缺少调整电路，因此实际上当今所有使用的电荷泵IC都增加线性调整或者电荷泵调制。
线性调整的输出噪音最低，并且可以在更低的效率情况下提供更好的性能。
在电源电路中电荷泵电路的主要作用是负责生成芯片所需要的各种中、高去驱动电压和工作电压[2]。
在图6中，用于背光照明的4个LED的电流均为30mA，用作闪光灯的4个LED的电流均为100mA（总电流为400mA）。
通过使用自适应模式电荷泵和超低压差电流调节器，驱动电路能在单节锂离子电池的整个电压范围内实现85%的高效率。
由于MAX1576在1MHz的固定开关频率下工作，仅需要使用非常少的外部元件，并确保低EMI和低输入电压纹波[12]。
MAX1576使用两个外部电阻RSETM和RSETF设置主LED等和闪光灯LED的最大电流（100%）。
引脚ENM1和ENM2可将主背光照明LED的电流设置为最大电流的10%、30%或100%。
引脚ENF1和ENF2可将闪光灯LED的电流设置为最大电流的20%、40%或100%。
若将每一对控制引脚连接在一起，可以实现单线、串行脉冲亮度控制（5%-100%）[4]。
图6MAX1576电荷泵驱动LED的电路[4]
4结束语
电荷泵是一款低功耗、低成本而且转换效率很高的DC-DC，在过去的十年时间随着手机、平板电脑等电子便携式设备的快速发展，电荷泵也得到了广泛的应用。
作为当今电源设计方向的一个趋势，电荷泵与日益普及的环保节能理念不谋而合。
可以说，在今后的一段时间，电荷泵在电子市场占据的地位将越来越重要。
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