電荷泵（也稱(chēng)為無(wú)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(lèi)型開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)、一個(gè)用于存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移能量的外部電容（常稱(chēng)為“快速電容”），以及一個(gè)外部輸出電容（常稱(chēng)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(kāi)關(guān)S1/S3閉合（導(dǎo)通），S2/S4打開(kāi)（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(guò)來(lái)的能量充電到2VIN電壓，并提供負(fù)載電流。
在放電階段，開(kāi)關(guān)S1/S3打開(kāi)，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(chēng)的由來(lái)）。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(lái)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(méi)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(wèn)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(chēng)為“穩(wěn)壓式電荷泵”。
圖2中，增加了一個(gè)開(kāi)關(guān)S5來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)S2/S4提供更多控制。由VOUT經(jīng)過(guò)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(lái)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(kāi)關(guān)共同構(gòu)成了反饋回路。反饋回路通過(guò)控制放電階段中開(kāi)關(guān)S5和S2/S4的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)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(kāi)S5，從而打開(kāi)S2和S4，終止能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。如果VOUT在放電階段無(wú)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(kāi)S5，從而S2和S4打開(kāi)。這樣這中止了CF將能量轉(zhuǎn)移到CR和負(fù)載的過(guò)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(wú)法下降到預(yù)設(shè)電壓，那么S5、S2和S4會(huì)一直保持打開(kāi)狀態(tài)。
通過(guò)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(shuō)，其輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。需要說(shuō)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通（閉合）和開(kāi)關(guān)關(guān)斷（打開(kāi)）。開(kāi)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(lái)決定。因此，開(kāi)關(guān)關(guān)斷持續(xù)時(shí)間為T(mén)- tON （參見(jiàn)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(lái)。
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(kāi)始，這時(shí)開(kāi)關(guān)都是關(guān)斷的。沒(méi)有直流電流通過(guò)CP.CP端的電壓（從左到右）是VIN，其左側(cè)通過(guò)L1連接到VIN，右側(cè)通過(guò)L2連接到地。
在開(kāi)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(méi)有電流通過(guò)。
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(xiàn)性方式上升，在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通階段的開(kāi)始初始值為iL1和iL2，在開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通階段，由于通過(guò)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(lái)自L(fǎng)1和L2電感的電流現(xiàn)在開(kāi)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(xiàn)性方式下降，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)階段的開(kāi)始初始值為iH1和iH2，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)階段結(jié)束時(shí)的最終值分別為iL1和iL2（參考圖6）。
在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(lái)說(shuō)，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：
1.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。
2.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)。
|
