电荷泵是什么意思

时间:2020-09-20 15:48:32  来源:  作者: 我要纠错


背景知识:

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,比如移动电话、掌上电脑等等,此类设备要求供电电源效率高、输出纹波电压小。直流变换器就是把未经调整的电源电压转化为符合要求的电源。电池的广泛使用,给这一类电源带来特殊的要求:高效率、静态电流小、很小的面积、低重量并且价格便宜。传统的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、高EMI抑制等优点,在电源管理电路中己得到广泛应用。

负压电荷泵模式

基本原理:

电荷泵使用电容储存能量,并且随着电荷泵电路结构的改进,也可应用在需要大电流的应用电路中。一般电荷泵电路主要有两种工作模式——"LINEAR" 模式和"SKIP"模式。

当电荷泵工作在"LINEAR"模式下,可以获得较低的输出纹波,工作在"SKIP"模式下可以获得较低的静态电流。为描述方便,以下分析中的电荷泵四个开关管均用NMOS代替,而并非实际上电荷泵开关中既有PMOS又有NMOS。

无电感型电荷泵,包含四个开关(M1-M4)、一个泵电容(flying capacitor) CF、输出电容(OutputCa pacitor)LOUT。一个简单的工作过程可分为三个阶段:

阶段A ( 充电阶段,M1和M2导通):泵电容被VIN充电,CF两端的平均压差为VIN减去充电电流在M1和M2产生压降。

阶段B (能量传输阶段,M3和M4导通):泵电容向负载电容放电

阶段C (等待阶段,M1-M4均不导通):没有能量从VIN传输到CF和Cout。VCF =常量。在等待状态,CF两端电压保持恒定。

当用50%占空比的时钟时,△tA =△tB = △t,,所以CF的平均充电电流就等于其平均放电电流,假设阶段A和阶段B的时间常数足够大。

开关 M1 - M4周期性通过阶段A,B 和C翻转,能量就从电池Vin传输到负载(Vout)。在单个周期里,只有在阶段B才对负载电容Cout充电,在其余阶段(阶段A和C), Cout向负载放电。在死循环电路系统中,输出电压Vout为稳定值,这就要求电荷泵充电能量等于负载消耗的能量。所以,在能量传输的阶段B,输出电流

现状和发展:

电源是各种用电设备的动力装置,是电子工业的基础产品。经济建设和社会生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展。近十年来中国的信息产业以其他行业三倍的速度快速发展,"九五"期间,中国对电子工业的投资比重由过去五年的2.2%提高到5.4%,总投资规模达到4293亿元,比过去五年增长近12倍,因此成为电源产业发展的强大推动力。电源最大的应用领域是在通信行业,近十年来我国通信事业快速发展,通信电源也同步增长,1991年国内通信电源投资额为人民币0.8亿元,到2002年全国通信电源市场容量为45亿元以上。从1991年到2002年通信电源增长56倍多。

在国际上,日本和美国的电子工业和通信业很发达,因此对电源的需求量非常大。在2000年,由于亚洲通信事业的高速发展,对电源供应和管理电路的需求量在全球市场上的比例升至10%,并且这个比例在今后一段时间还将迅速增长,从而成为世界上最有发展潜力的电源供应市场之一。

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