集成电荷泵DC-DC转换指南

电荷泵通常是为需要低功耗和低成本的应用供电的最佳选择。本应用笔记讨论了集成电荷泵，并解释了如何计算电荷泵的功耗。

系统工程中一个熟悉的问题是主电源无法满足其功率要求的子系统。在这种情况下，可用的电源轨不能直接使用，直接使用电池电压（如果可用）也并不总是一个选项。空间不足可能会阻止包含最佳数量的电池，或者放电电池的电压下降可能不适用于应用。

电压转换器可以产生所需的电压电平，而电荷泵通常是需要低功耗、简单性和低成本组合的应用的最佳选择。电荷泵易于使用，因为它们不需要昂贵的电感器或额外的半导体。

电荷泵—概述

电荷泵电压转换器使用陶瓷或电解电容器来存储和传输能量。虽然电容器比其他类型的DC-DC转换器中使用的线圈更常见且便宜得多，但电容器不能突然改变其电压电平。不断变化的电容电压始终服从指数函数，这造成了电感式电压转换器可以避免的限制。然而，电感式电压转换器更昂贵。

容性电压转换是通过周期性切换电容器来实现的。无源二极管可以在最简单的情况下执行此开关功能，前提是交流电压可用。否则，直流电压电平需要使用有源开关，该开关首先通过将电容器连接到电压源上为电容器充电，然后以产生不同电压电平的方式将其连接到输出。

使用这种原理的常见集成电路是ICL7660，一些人认为它是经典电荷泵的原型。ICL7660 集成了开关和振荡器，因此开关 S1、S3 和 S2、S4 交替工作（图 1）。此处显示的配置反相输入电压。随着外部连接的微小变化，它也可以使输入电压加倍或分频。

图1.这些基本组件说明了电荷泵操作的机制。

闭合 S1 和 S3 在前半个周期内将跨接电容器 C1 充电至 V+。在下半场，S1和S3打开，S2和S4关闭。此操作将C1的正极端子接地，并将负极端子连接到V外.然后C1与储能电容C2并联。如果 C2 两端的电压小于 C1 两端的电压，则电荷从 C1 流向 C2，直到 C2 两端的电压达到 -（V+）。

集成的固定频率振荡器驱动周期性开关。该电路没有输出调节，开关频率在所有负载下保持恒定。因此，输出电压变化很大程度上取决于负载。空载时，输出电压对应于负输入电压：V外= -（V+）。随着负载的增加，V外减少。因此，ICL7660的输出电流被限制在约10mA。这部分是由于它的振荡器频率低，部分原因是其集成的模拟开关远非理想。这些处于“导通”状态的开关具有几欧姆的导通电阻。稍后将详细计算所得功耗。

引脚兼容电路（MAX660、MAX860/MAX861、MAX1680/产品/MAX1681）具有更高的开关频率和更低的开关导通电阻。由于开关频率较高，这些电荷泵采用较小的电容器工作，并提供更高的输出电流。所有器件均可配置为电压逆变器、倍增器或分压器。

MAX828/MAX829和MAX870/MAX871专为逆变器应用而设计，采用更小的封装（SOT23）和更小的外部电容，减小了所需的电路板面积。这些器件的引脚兼容版本（MAX1719/MAX1720/MAX1721）提供额外的关断引脚，用于关断电路。在这种情况下，电源电流降至1nA，输出与输入断开，输出电压降至零。

电容式分压器

考虑一个设计用于将输入电压分频4并将输出电流加倍的电路。与线性稳压器（通常将功率转换为热量）相比，它具有优势，并且有利于需要有限输出电流的应用。例如，20mA至<>mA接口通常提供相对较高的输出电压，但预设输出电流有限。其他应用包括许多运算放大器和微控制器，它们现在以非常低的电源电压工作。在这些电路中，电源电压除以<>理论上等于功耗除以<>。

图2的配置产生一个稳压V。外（= V在/2）采用电容分压器C3、C4和C5、C6。通过在分压器的上半部分和下半部分之间交替切换跨接电容C2，IC可以平衡任何与负载相关的电压差。该电路的开关频率为 35kHz，静态电流仅为 36μA。当负载电流超过1mA时，电路的效率超过90%。然而，在负载电流非常小（即低于100μA）的情况下，即使是这种36mA的低静态电流也会降低转换效率。这种开关电容配置既能提供比简单电阻分压器更好的调节性能，又能提供比分压器和运算放大器缓冲器简单组合更高的效率。IC 规格限制 V在最大电压为 5.5V。

图2.通过所示的连接，该反相电荷泵IC将输入电压分频<>。

计算电荷泵功耗

现在考虑一个简单的模型，其中电容器 C1 在频率 f 时在输出电压和 V+ 之间切换（图 3）。该模型可以讨论电荷泵功耗。

图3.这种开关电容器模型表明它的行为类似于电阻器。

一个储能电容C2和负载R。L，连接到 V外.每个周期传输的电荷为：

ΔQ = C1(V+ - VOUT)

它产生的电流I取决于频率f：

I = fΔQ = fC1(V+ - VOUT).

根据欧姆定律改变方程后，等效电阻RERS，对于开关电容可以计算为：

RERS= 1/fC1

该公式表明，电阻和电阻损耗随着频率的增加和电容的增加而减小。较高的电容只会降低输出电阻，直到开关的电阻和电容器的等效串联电阻（ESR）超过R。ERS.只有选择低ESR电容器才能降低这种内部损耗（开关损耗）。通过使用复杂的新型电荷泵，可以降低开关导通电阻。

开关损耗是由跨接电容和输出电容之间的电压差以及开关中的导通电阻引起的。这种电压差出现在开关上，导致应用中的耗散。如前所述，开关电容器的行为类似于电阻。因此，您可以通过并联多个开关电容器件来降低输出电阻并增加输出功率。

稳压电荷泵

调节输出电压的集成电荷泵无需电感器即可工作。它们提供稳定的输出电压（例如 5V）和多种省电模式。MAX682稳压上变频器等器件工作在高效跳频模式或固定频率模式，输出纹波较小。

当内部比较器检测到输出电压下降时，省电跳频模式仅激活内部振荡器，从而避免不必要的开关。其结果是更低的静态电流和更低的开关耗散，特别是对于轻负载。对于低功耗应用，跳跃模式更可取，因为较高的静态电流水平会降低整体效率。

为了最大限度地降低输出纹波，该电路可以在50kHz至2MHz之间的固定频率模式下振荡。调节确保跨接电容器通过内部 MOSFET 充电，充电电流取决于负载。由于功耗增加，输出电压降低，为电容器充电更多能量。作为固定频率模式的优点，输出纹波更低，外部元件更小。如果电荷泵的印象是电荷泵只能提供几毫安的低输出电流，你会惊讶地发现MAX682从250V输出提供高达5mA的电流。

稳压电荷泵设计理念

用于保持恒定且与输入电压无关的开关频率的改进设计如图4所示。

图4.该稳压电荷泵保持恒定的开关频率。

IC的内部开关频率由流入其关断引脚的电流控制。控制公式取自器件的数据手册：

REXT = 45000(VIN - 0.69V)/fOSC，REXT 以 kΩ 为单位，fOSC 以 kHz 为单位

通常，在给定的输入电压和所需的开关频率下计算外部关断电阻的值。然而，在这种情况下，公式表明，关断引脚中的开关频率和电流取决于输入电压V在.如果输入电压变化，开关频率也会变化。

两个二极管将电流直流进入关断引脚。D1通过在电源电压首次导通时将电流从输入定向到关断引脚来确保可靠的启动。当输出电压达到5V或上升到V以上时在，开关频率变得恒定，因为D2从稳定的输出电压传导电流。建议将微型二极管阵列采用 3 引脚 SOT23 封装 （BAV70） 用于 D1-D2 组合。请注意，关机功能仍然可用。利用漏极开路 MOSFET 将关断引脚驱动至地，只需将预设频率的电流短路至地。

稳压逆变器

许多应用需要额外的负电压，例如-5V。这种电压可以通过调节电荷泵反相器（MAX868）和一些外部元件（图5）产生。充电时，左侧开关关闭，右侧开关打开。两个跨接电容器并联充电，负载完全由存储在输出电容器中的电荷提供服务。在放电期间，开关重新配置以串联连接跨接电容器。当连接到输出电容器时，它们会根据需要传输电荷以保持输出电压调节。

图5.内部元件说明了该稳压电荷泵反相器（MAX868）的工作原理。

内部振荡器频率 （450kHz） 足够高，以确保小型外部电容器和高输出电流。振荡器由比较器控制，仅当输出电压低于其阈值时，振荡器才会激活。该调节使电路能够提供高达-2V的恒定输出电压在.同时，该电路在轻负载时消耗的静态电流最小。

降压/升压组合

电池供电应用中常见的另一个问题是电池电压高于和低于调节输出电压。Li+电池在充电前的使用寿命期间，输出电压在3.6V至1.5V之间变化。为了从这种变化的输入中获得恒定的3.3V电压，需要一个组合式降压/升压转换器。最初，该器件将整个电池电压（3.6V）下变频至3.3V。当电池电压降至3.3V以下时，升压转换器功能保证稳定的3.3V输出电压。

虽然这种方法通常很复杂，但现在可以通过简单的电荷泵IC实现，如MAX1759。MAX1工作在6.5V至5.1759V输入电压，产生固定（3.3V）或可调（2.5V至5.5V）输出，输出电流高达100mA。该 IC 采用 10 引脚 μMAX® 封装，采用 1 个外部电容器工作。一个额外的停机模式将输出与输入断开，同时将静态电流降低至 <>μA。

电荷泵概述

表1和表2列出了Maxim提供的一些稳压和非稳压电荷泵，包括具有特殊功能的电荷泵以及文中提到的所有电荷泵。这些表格使设计人员能够根据应用所需的封装、功能和输出电流规格选择合适的电荷泵。

审核编辑：郭婷