無需電感器的升壓和反相：電荷泵電源

無電感器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器被稱為“電荷泵”穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈兪褂瞄_關(guān)周期性地將電荷“泵”到電容器上。我想您可以將其比作手動(dòng)給輪胎充氣，輪胎會(huì)慢慢漏氣。如果你打氣的速度足夠快，輪胎就不會(huì)漏氣，即使它正在漏氣，即使你沒有持續(xù)注入新的空氣。泵送的空氣就像輸入電流，泄漏的空氣就像負(fù)載電流，我猜輪胎壓力有點(diǎn)像電壓。通過充分的泵送（記住泵送 =定期注入空氣），您可以無限期地保持高胎壓和提供負(fù)載電流。

設(shè)計(jì)低壓電子設(shè)備的首要步驟之一是決定使用哪種類型的電源?；旧嫌袃煞N選擇：線性穩(wěn)壓器或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在我們經(jīng)常選擇 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，因?yàn)殚_關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)通常比線性調(diào)節(jié)更有效。（如果您想知道我為什么添加“一般”，請(qǐng)查看本文中標(biāo)題為“效率問題”的部分。）

如果您像我一樣，在決定需要一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器后，您會(huì)立即開始對(duì)龐大的電路、復(fù)雜的元件選擇、嘈雜的輸出電壓等產(chǎn)生苦澀的想法。不過，重要的是要記住，典型的基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器并不是的選擇。有一個(gè)完全獨(dú)立的拓?fù)淇梢蕴峁╋@著的好處，盡管它肯定不適合所有設(shè)計(jì)。

電感輸出，電容輸入

無電感器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器被稱為“電荷泵”穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈兪褂瞄_關(guān)周期性地將電荷“泵”到電容器上。我想您可以將其比作手動(dòng)給輪胎充氣，輪胎會(huì)慢慢漏氣。如果你打氣的速度足夠快，輪胎就不會(huì)漏氣，即使它正在漏氣，即使你沒有持續(xù)注入新的空氣。泵送的空氣就像輸入電流，泄漏的空氣就像負(fù)載電流，我猜輪胎壓力有點(diǎn)像電壓。通過充分的泵送（記住泵送 =定期注入空氣），您可以無限期地保持高胎壓和提供負(fù)載電流。

因此，首先要了解的是，電荷泵穩(wěn)壓器使用開關(guān)周期性地將電流從輸入電源注入電容器。當(dāng)輸入開關(guān)打開時(shí)，第二組開關(guān)將電容器連接到調(diào)節(jié)器的輸出側(cè)，以便它可以提供負(fù)載電流。另一個(gè)要記住的關(guān)鍵點(diǎn)是電容器的電壓不會(huì)瞬間改變。因此，如果您將其充電至 5 V，然后使用開關(guān)改變其連接，電容器兩端的電壓 (V CAP ) 仍將為 5 V。這就是電容器可以輕松用作倍壓器的原因：

當(dāng)連接到輸入時(shí)，V CAP為 5 V。當(dāng)連接到輸出時(shí)，V CAP（初）為 5 V。但請(qǐng)注意，輸出側(cè)較低的連接連接到 V IN，而不是接地。這意味著 V OUT必須比V IN高5 V ；換句話說，V OUT = 2V IN。

您可以使用類似的技巧來反轉(zhuǎn)輸入電壓：

此處，下方輸出連接為 V OUT，上方輸出連接接地。當(dāng)輸入開關(guān)打開且輸出開關(guān)閉合時(shí)，V CAP = 5 V，因此輸出必須（初）低于地電壓 5 V；換言之，V OUT = –V IN。

可以實(shí)現(xiàn)其他輸入到輸出關(guān)系，但這兩個(gè)非常簡(jiǎn)單，而且如果您從電荷泵穩(wěn)壓器開始，然后使用線性穩(wěn)壓器微調(diào)輸出，它們可能就是您所需要的全部（這種方法還有降低噪聲的額外好處）。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

如果您有閱讀我的文章的習(xí)慣，您可能會(huì)知道我對(duì)基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器有著不可阻擋的偏見，因此我的直覺是宣布電荷泵穩(wěn)壓器普遍優(yōu)越。然而，這完美地證明了當(dāng)我們的結(jié)論基于偏見、恐懼或反復(fù)無常而不是合理的推理時(shí)，人類是多么荒謬。電荷泵方法在某些應(yīng)用中很有用，但在許多（或大多數(shù)？）情況下，基于電感器的開關(guān)更可取。

優(yōu)點(diǎn)

一般來說，電荷泵穩(wěn)壓器比等效的基于電感器的穩(wěn)壓器更小、更簡(jiǎn)單且更便宜。這份好處清單可能看起來不是很長(zhǎng)，但請(qǐng)記住，規(guī)模、上市時(shí)間和成本是當(dāng)今工程界的重要因素，有時(shí)甚至是至關(guān)重要的因素。

缺點(diǎn)

電荷泵穩(wěn)壓器無法提供與基于電感器的穩(wěn)壓器一樣大的輸出電流。我不確定如何準(zhǔn)確地對(duì)此進(jìn)行量化，但對(duì)于需要超過 50–100 mA 電流的負(fù)載，基于電感器的開關(guān)似乎是。此外，在某些應(yīng)用中（尤其是那些需要高輸出電流的應(yīng)用），電荷泵穩(wěn)壓器的效率將低于基于等效電感器的電路的效率（盡管優(yōu)于 LDO）。

噪音

兩種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器都比線性穩(wěn)壓器噪聲大。但是一個(gè)比另一個(gè)更好嗎？我的猜測(cè)是這個(gè)問題沒有明確的答案，僅僅是因?yàn)橛绊懺胍舻钠渌蛩靥嗔?。然而，我有一種感覺，基于電感器的穩(wěn)壓器往往更差，至少在輻射噪聲方面是這樣，因?yàn)殡姼衅鞲袷翘炀€（除非它被屏蔽，但屏蔽電感器更昂貴）。如果您有關(guān)于電荷泵開關(guān)器與基于電感器的開關(guān)器的噪聲性能的任何信息，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論中告訴我們。

結(jié)論

我想介紹這個(gè)主題，因?yàn)槲医O(shè)計(jì)了一個(gè) 5 V 至 ±5 V 電荷泵電源電路，它可以作為子系統(tǒng)合并到您的下一個(gè)模擬或混合信號(hào)項(xiàng)目中。我使用了 Linear Tech/Analog Devices 的 LTC3265：

圖表取自LTC3265數(shù)據(jù)表。

我們將在以后的文章中查看原理圖和 PCB，我還將提供性能評(píng)估，以便您了解此類電路的功能。