穩(wěn)壓電荷泵和電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器的比較

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)