电荷泵原理及应用

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1、目录摘要 1Abstract . 11 引言 12 电荷泵的原理 12.1 电荷泵的基本原理 12.2 理想电荷泵模型及其原理简介 22.3 电荷泵的工作过程 23 电荷泵的应用 43.1基于电荷泵的LED驱动电路的基本原理 53.2电荷泵LED驱动器的主要特点63.3 MAX1576电荷泵驱动LED的电路 74 结束语 8参考文献 8电荷泵原理及应用 摘要：电荷泵由于其转换效率高、 外接组件少， 在现代电源管理电路中有广泛的 应用 。本文从应用的角度出发，介绍了电荷泵的工作原理和电荷泵在现代电子工业 中的应用；在应用方面重点讨论了基于电荷泵的 LED驱动器并做出结论。本文的讨论 和结论对全面

2、掌握电荷泵原理和合理应用电荷泵有重要的参考作用。关键词： 电荷泵；原理；应用The Principle and Application of Charge pumpAbstract: Charge pump is widely used in the modern power management circuit because of its high conversion efficiency and fewer external components .This article introduces the working principle of charge pump and its

3、application in the modern electronic industry from the perspective of application.And describe the LED driver based on charge pump in detail,then make a conclusion.The discussion and conclusion of this article is the essential reference for us to master the principle of charge pump and learn how to

4、use it reasonably.Keywords: charge pump;principle;application1 引言随着科技的高速发展， 移动电话、平板电脑等便携式移动设备已成为每家每户现 代生活的必需品。 这些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，此类设备要求供电电源的效率要高、输出电压的纹波要小。DC-DC变换器（直流变换器） 就是把未经调整的电源电压转化为符合设计需求的电源电压。 传统 的开关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

5、 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、EMI抑制能力强等优点，在电子设备电源电路中己得到广泛应用15 o2电荷泵的原理2.1 电荷泵的基本原理电荷泵的基本原理是给电容充电， 把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷， 然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。我们形象地把这个传递电荷的电容看 成是“装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水 倒进一个大

6、水箱。电荷泵也称为开关电容式电压变换器， 是一种利用所谓的“快速” 或“泵送”电容，而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器（直流变换器）。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的MOSFE开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数 （1/2,2或3）倍增 或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80液以上的效率，而且只需外接陶瓷电容 。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一 定的输出纹波和EMI。电荷泵作为目前常用的DC-DC可以实现逆变器、分路器或者增压器的功能，逆变 器将输入的正电压转换成一个负电压输出。作为分路

7、器使用时，输出电压是输入电压的一部分，例如1.5倍压或2/3倍压。作为增压器时，它可以提供 1.5倍压或者2 倍压的增益o2.2理想电荷泵模型及其原理简介理想电荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，其基本思想就是通过电容对电 荷的积累效应来产生高电压，使电流由低电势流向高电势。当时这种电路是为了提供 可擦写 EPROM所需要的电压而设计的。后来J.Witters 、Toru Tranzawa等人对J.Dickson的电荷泵模型进行改进，提出了比较精确的理论模型，并通过实验加以证 实，提出了一些理论公式。随着集成电路技术的不断发展，基于低功耗、低成本的考 虑，电荷泵在电子设备电源电路中

8、的应用也越来越广泛了。四阶Dicks on电荷泵原理图如图1所示15。图1所示电路的工作原理是：当Uf为低电平时，MD1管导通，Un对结点1相连的 电容进行充电，直到结点1的电压变为UIN Utn ；当U为高电平时，结点1的电压变 为Uf UIN Utn，此时MD2导通，对与结点2相连的电容进行充电，直至结点 2的 电压变为Uf Uin 2U tn，Uf再度变为低电平，结点 2上的电压为2U f U in 2Utn， 如此循环，直到完成四级电容的充放电，可以获得的输出电压为：由此可以得到，N级倍压电荷泵的电压增益为：图1四阶Dickson电荷泵原理图2.3电荷泵的工作过程电荷泵的工作过程为首先

9、储存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输 出电压。电荷泵采用电容器来储存能量，并通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较 控制器实现电压提升 4 。最简单也是最常用的电荷泵结构之一是倍压电荷泵，我们以 倍压电荷泵来做原理说明：电容是存储电荷或电能并按预先确定的速度和时间放电的器件。 如果一个理想的 电容以理想的电压源UG进行充电如图2(a)所示，依据Dirac电流脉冲函数立即存储 电荷如图 2(b) 所示，则存储的总电荷数量按下式计算：(a) 理想情况下电容充电电路(b) 理想情况下电容充电电压和电流波形(c) 实际情况下电容充电电路(d)理想情况下电容充电电压和电流波形图 2 理 想和实

10、际情况下电容的充电电路、充电电压波形、充电电流波形4实际的电容具有等效串联阻抗(ESR)和等效串联电感(ESL)，两者都不会影响到电 容存储电能的能力。 然而，它们对开关电容电压变换器的整体转换效率有很大的影响 12。实际电容充电的等效电路如图2(c)所示，其中Rw是开关的电阻。图2(d)为实际 情况下的电流充电电压和电流波形。 充电电流路径具有串联电感， 通过适当的器件布 局设计可以减小这个串联电感。一旦电路被加电，将产生指数特性的瞬态条件，直到达到一个稳态条件为止。电 容的寄生效应限制了峰值充电电流， 并增加了电荷转移时间。 因此，电容的电荷累积 不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变

11、化为零 8。电荷泵就是利用电容的这 种特性进行工作的，如图 3(a) 所示。电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段，开关Si和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容C1充电到输入电压：在第二阶段，开关S3和S4关闭，而S和S2打开。因为电容C两端的电压降不能 立即改变，输出电压跳变为输入电压的两倍。使用这种方法可以实现电压的倍压，通常开关信号的占空比为50%时，能产生最佳的电荷转移效率。图 3(b) 中显示了开关电容的倍压器的稳态电流和电压波形。 根据功率守恒原理， 平均输入电流是输出电流的两倍。 在第一阶段，充电电流流入C。该充电电流的初始 值决定于电容C1两端的初始电压、C的ESR以

12、及开关的电阻。在Cl充电后，充电电 流呈现指数级地降低。 充电时间常数是开关周期的几倍， 更小的充电时间常数将导致 峰值电流增加。在这个时间内，输出电容 CO线性放电以提供负载电流在第二阶段， C1 的正端连接到输出端，放电电流（电流大小与前面的充电电流 相同）通过Ci流向负载。在这个阶段，输出电容电流的变化大约为210。尽管这个电流变化应该能产生输出电压变化为 21。ESRco，使用低ESF的陶瓷电容使得这种变 化可以忽略不计。（a） 电荷泵电路（b）相关波形图 3 电荷泵工作基本原理图 8此时，Co线性地充电。当C1连接到输入端和地之间时，CO线性地放电。总的输 出纹波峰峰电压值为：对于更

13、高的开关频率， 可以采用更小的输出电容来获得相同的纹波， 电荷泵的寄 生效应导致输出电压随着负载电流的增大而下降。事实上，总是存在大小为2I 。的电流通过Ci和两个开关的导通电阻（2FS,导致产生的功耗为： 除了这些纯粹的电阻损耗，电流Io流过开关电容C的等效电阻产生的功耗为： CO的RMS6流等于Iout,导致产生的功耗为：所有这些损耗可以用下面的等效电阻进行汇总： 这样一来，电荷泵的输出电压为：因为陶瓷电容具有低的ESRfi以及高的开关频率，输出纹波以及输出电压降取决 于开关电阻。 利用更多的开关和电容可以实现附加的电压转换。 图 4 为电荷泵开关工 作示意图。同样，电压转换在两个阶段内实

14、现。在第一阶段，开关 SiS关闭，而开 关打开。因此，C和C2并联。假设C等于C2,则充电到一半的输入电压。图 4 电荷泵开关工作电路图 6输出电容 C。 提供负载电流，随着输出电容的放电，输出电压降低到期望输出电 压以下。在第二阶段，C和C2并联，并连接在Un和U。之间。开关SS关闭，而SiS3 和S8打开。因为电容两端的电压降并不能突变，输出电压跳变到输入电压的1.5倍。若关闭S8并保持ss打开，则电压转换可以获得i倍压（线性模式）的增益14。按照上诉原理进行推究，我们可以依电荷泵的输出电压不同可分为2倍压、1.5倍压以及当输入Un为负电压时的负电压结构。在实际应用中，电荷泵变换器也常作

15、为倍压变换器和电压反转器在电路中使用。3电荷泵的应用在过去的十年， 电荷泵在电子科技发展中得到了非常广泛的运用， 从未调整单输 出IC到带多输出电压的调整IC。输出功率和效率也得到了快速发展，因此现在的电 荷泵可以输出高达 250mA 的电流，转换效率最高可以达到 95%。电荷泵大多应用在需 要使用电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备等。其主要 应用包括驱动用于手机背光的白光 LED和毫瓦范围的数字处理器等10。本文主要论述 基于电荷泵的LED驱动电路。3.1基于电荷泵的LED驱动电路的基本原理白光LED的正向压降可以高达4V,但是目前的大量手持电子设备多以单一锂离子 电池供电，此时已经无法再由设备电源直接驱动白光LED而必须借助于各类电源变换器件。可以用作白光LED驱动器的电源变换器包括不少种类， 其中应以电压输出型 电荷泵电路最为简单 6。电荷泵，也称为无感式DC-DC专换器，它是利用电容作为储能元件的特殊类型的 开关DC-DC变换器。电荷泵解决方案利用分离电容器将电源从输入端传送至输出端， 整个过程不需使用任何电感， 所以是受欢迎的解决方案。 电荷泵电源的体积很小， 设 计也很简单，选择组件时通常只需要根据组件规格从中挑选适当的电容器。电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压的提升， 采用电容器来储