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"(flying)或"泵送"电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。

1.电荷泵工作原理

 

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水箱[8]。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MOSFET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。


电荷泵工作原理

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2.电荷泵升压电路原理

 

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”(Flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(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FET开关阵列以一定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(0.5,2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%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(电磁干扰)。

电荷泵通过控制泵电容及调节开关来保持稳定的输出电压,电荷泵开关网络在泵电容充电和放电变换周期内可以实现泵电容的并行或串行排列。在给定的输入、输出条件(差分电压)下,应选择电荷泵的最优工作模式以保持要求的输出电压。电荷泵开关网络采用的MOSFET器件具有尺寸小,成本低,开关速度快,损耗最低等特点。


电荷泵升压电路原理

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3.电荷泵快充原理

 

电荷泵也叫无电感式DC-DC转换器,利用电容作为储能元件来进行电压电流的变换。可以使输出电压减半、输出电流加倍,转换效率可以达到95%以上,相比以前“高压低电流”的充电方式。我们知道,外接电压转换成手机电池电压时,电能的转化效率越高,产生的热量就会越少,电池的寿命更长,目前在手机领域应用比较多,但据电源适配器厂家得到的消息,有不少电子设备厂家都喜欢采用这种技术。所以我们可以看到很多家用电器现在都支持快充。

3种电荷泵的工作过程均为:首先贮存能量,然后以受控方式释放能量,以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量,而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。

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提升,采用电容器来贮存能量。因工作于较高频率,可使用小型陶瓷电容器(1μF),占用空间最小,使用成本较低。电荷泵仅用外部电容器即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(ESR)和内部开关晶体管的RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感器,因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容器滤除。它的输出电压是工厂生产时精密预置的,可通过后端片上线性调整器调整,因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数,以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计,是一个基准、比较、转换和控制电路组成的系统。
 

电荷泵快充原理

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