穩(wěn)壓電荷泵和電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器的比較

電荷泵(也稱為無電感式DC/DC轉(zhuǎn)換器)是利用電容作為儲能元件的特殊類型開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器。與采用電感作為儲能元件的電感式開關(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)使其對于某些最終應(yīng)用非常具有吸引力。本文將對比穩(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)包括四個開關(guān)、一個用于存儲和轉(zhuǎn)移能量的外部電容(常稱為“快速電容”)，以及一個外部輸出電容(常稱為“儲能電容”)。

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階段組成——充電(能量儲存)和放電(能量轉(zhuǎn)移)。

在充電階段，開關(guān)S1/S3閉合(導(dǎo)通)，S2/S4打開(關(guān)斷)?？焖匐娙軨F被充電到輸入電壓VIN，并儲存能量，儲存的能量將在下一個放電階段被轉(zhuǎn)移。儲能電容CR，在上一個放電周期就已經(jīng)被從CF轉(zhuǎn)移過來的能量充電到2VIN 電壓，并提供負(fù)載電流。

在放電階段，開關(guān)S1/S3打開，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”電荷泵名稱的由來)。然后，CF放電將充電階段存儲的能量轉(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鐘頻率。通常傾向于采用較高的時鐘頻率來降低對快速電容和儲能電容容值的要求，從而減小體積。

圖1所示簡單倍壓電荷泵沒有對輸出電壓進(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，只需要增加一個簡單的反饋回路就可以容易地解決這一問題。圖2給出了一個非常簡單的、具有穩(wěn)定輸出的倍壓電荷泵，通常稱為“穩(wěn)壓式電荷泵”。

圖2中，增加了一個開關(guān)S5來對開關(guān)S2/S4提供更多控制。由 VOUT 經(jīng)過電阻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開關(guān)共同構(gòu)成了反饋回路。反饋回路通過控制放電階段中開關(guān)S5 和 S2/S4的開關(guān)狀態(tài)來調(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，比較器會打開S5，從而打開S2和S4，終止能量轉(zhuǎn)移過程。如果VOUT 在放電階段無法上升到預(yù)設(shè)電壓，那么S5、S2和S4會一直保持閉合狀態(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，比較器會打開S5，從而S2和S4打開。這樣這中止了CF 將能量轉(zhuǎn)移到CR和負(fù)載的過程，從而使VOUT下降到預(yù)設(shè)電壓。如果在這一放電階段VOUT無法下降到預(yù)設(shè)電壓，那么S5、S2和S4會一直保持打開狀態(tài)。

通過調(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，其輸出電壓既可高于輸入電壓，也可低于輸入電壓。需要說明的是，利用電感器作為儲能元件的降壓穩(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由時鐘頻率控制。本文中為簡化分析，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階段：開關(guān)導(dǎo)通(閉合)和開關(guān)關(guān)斷(打開)。開關(guān)導(dǎo)通時間 tON由反饋回路控制，導(dǎo)通時間由輸出電壓VOUT與預(yù)設(shè)電壓之間的偏差值來決定。因此，開關(guān)關(guān)斷持續(xù)時間為T- tON (參見圖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)