电荷泵在便携式设计中大放异彩

新一代IC与无源元件改进相结合，使电荷泵电压转换成为许多应用中的青睐方法。在许多情况下，早期的电荷泵被认为不合适或只能接受妥协。例如，具有宽松精度、低负载电流、高噪声容限和最低效率需求的应用可以从电荷泵的低成本、更小的尺寸、更简单的电路以及（当然）无电感操作中受益。

当今的电荷泵IC满足便携式系统的苛刻要求，具有更高的精度、更高的输出电流、敏感RF应用可接受的输出噪声水平，以及与某些基于电感器的设计相当的电池寿命。以下讨论比较了几种IC电荷泵设计，介绍了“无电感”电源应用，并提供了元件选择指南。

简短的入门

术语“电荷泵”是指使用电容器而不是电感器或变压器来存储和传输能量的一种DC-DC电压转换器。电荷泵（通常称为开关电容转换器）包括对一个或多个电容进行充电和放电的开关或二极管网络。电荷泵电路最引人注目的优点是没有电感。

为什么要避免使用电感器？与电容器相比，它们的采购来源更少，标准规格和尺寸更少，元件高度更高，EMI更高，布局灵敏度更高，成本更高。（否则，它们很棒。新一代电荷泵IC即使使用通常用于旁路电源的低成本陶瓷电容器也能提供令人满意的操作。

基本电荷泵可以在带有模拟开关的IC中实现，也可以在带有二极管的分立元件电路中实现（图1）。在IC版本中，开关网络在充电和放电状态之间切换，在分立版本中，时钟波形通过二极管驱动充电和放电状态。在这两种情况下，“跨接电容器”（C1）穿梭电荷，“储能电容器”（C2）保持电荷并滤除输出电压。您可以根据需要扩展和修改此方案，以增加调节、降低噪声、获得更高的输出电压等。

图1.基本电荷泵提供电压倍增或反转。它可以通过片上开关 （a） 或分立二极管 （b） 来实现。

虽然电荷泵通常用作小型电路模块或接口IC等单个组件的电源，但它们尚未被广泛用作系统电源。然而，这种用途正在发生变化：电荷泵的输出电流能力在增加，而便携式设计所需的电源电流在下降。例如，在图2中，IC1电荷泵由AA或AAA碱性电池、NiCd或NiMH电池或单节一次锂电池供电时，可在100.3V时产生3mA电流。

图2.这款具有线性稳压器的电荷泵升压转换器采用两节电池输入提供 200mA/3.3V 电流，采用 2 节电池输入提供 150mA 电流/5V 电流。

图2电路在输入电压低至2.2V时可保持3.3V输出。对于≥2.4V的输入，它可以提供超过200mA的短期负载。对于输入低至 3V 的 5V 系统，类似的设计加上 5V 线性稳压器在由 3 节碱性电池、NiCd 或 NiMH 电池或一块可充电锂电池供电时可提供 150mA 电流。当电池电压较高时，两个电路的效率从近80%（低VIN）到略高于50%（两节电池为3.2V，三节电池为4.8V）不等。

内部调节电荷泵

图2电路通过在外部增加一个稳压器，克服了电荷泵缺乏稳压的问题。如果负载电流适中，另一种选择是在芯片上增加调节。单片芯片中的调节通常通过线性调节或电荷泵调制来实现。线性调节提供最低的输出噪声，因此在（例如）用于RF放大器的GaAsFET偏置电路中提供更好的性能。电荷泵调制（控制开关电阻）为给定的芯片尺寸（或成本）提供更多的输出电流，因为IC不需要包括串联调整管。

图3所示电路在主电源和后备电源中都很有用。它产生一个稳定的 5V 输出，负载电流为 20mA，输入范围为 1.8V 至 3.6V。对于不低于3V的输入电压，输出电流可以达到50mA。转换效率（图4）接近等效的低成本电感电路。注意输入电压的变化：效率在VIN = 3V附近表现出阶跃变化，其中电荷泵在其电压三倍器和倍压器工作模式之间自动切换。对于倍频或三倍操作的每个“区域”，效率最高，最低VIN值。在每个区域内，效率随着VIN损耗的增加而降低：

Power lost = IOUT x [(2 or 3)VIN - VOUT].

图3电路无需线性调整元件即可实现稳压，但其损耗与馈入线性稳压器的未稳压倍频器或三倍频器相同！这一令人惊讶的结果是，每当泵浦电容器在一个开关周期内改变电压时，就会发生不可避免的损耗。考虑两个1μF电容，一个充电至1V，一个充电至0V。它们的总储存能量为：

1/2CV2= 1/1（<>μF）（<>V2） + 1/0（<>μF）（<>V2） = 0.5μ库仑。

并联连接它们可将每个充电至 0.5V，因此新的总数为：

1/0（5μF）（<>.<>V2） + 1/0（5μF）（<>.<>V2） = 0.25μ库仑。

因此，从1V到0.5V（50%）的能量损失与固定V的预期能量相同外倍频器或三倍器，后接线性稳压器。在图3中，通过在倍频和三倍操作之间自动切换来优化效率，从而最大限度地减少ΔV变化。

图3.该IC包含一个具有输出调节功能的多开关升压转换器。电路双倍或三倍 V在以最大限度地提高效率。开关控制信息被反馈以保持输出调节。

图4.效率/V 的不连续性外图3中的曲线出现在内部电荷泵在电压倍增和三倍之间切换时。

工作电流

许多基于电容器的电压转换器提供极低的工作电流，这在负载电流通常较低或大部分时间都很低的系统中非常有用。因此，对于较小的手持产品，在确定电池寿命时，轻负载工作电流可能比满载效率重要得多。在此类产品中，“关断”状态并非完全关断，而是挂起或休眠状态，其中所需的电源电流（例如μP和存储器）可能为100μA或更低。如果电源本身消耗相当的电流，则电池寿命会直接影响。

电荷泵IC的电源电流通常与其工作频率成正比。您可以通过以尽可能低的频率运行来最小化电流消耗，但代价（对于较旧的电荷泵 IC）是更高的纹波电压，更少的 I外能力，以及对更大价值的泵浦电容器的需求。一些IC提供引脚可设置的工作频率，以帮助进行这种权衡。

较新的电荷泵IC采用另一种技术（按需开关），可实现低静态电流和高I。外同时的能力。因此，图3系统集成了按需电路，可将空载电源电流降至75μA （典型值）。

虽然图3的满载效率（如图4所示）低于大多数基于电感的设计，但其极低的工作电流可能会延长电池寿命。工作电流对电池寿命的影响取决于在挂起或睡眠状态下花费的工作时间比例。例如，图619所示的MAX3包括一个按需振荡器，仅在输出电压低于5V时工作。由此产生的空载静态电流仅为 75μA，该器件使用 50.0μA 泵浦电容器提供高达 22mA 的输出电流。在为锂纽扣电池产生备用电压时，低工作电流也很重要。

闪存

非常适合电荷泵转换的应用是为闪存芯片生成编程电压。电荷泵方法为信用卡大小的产品提供了近乎理想的解决方案，其中元件高度受到严格限制，特别是如果它减少了电解电容器的数量或完全消除了电解电容器的数量。为此设计的IC（图5）提供12V“V聚丙烯“电压适合对闪存的 2 字节字进行编程。另一个IC（前面提到的MAX619）提供5V V聚丙烯适用于 5V 闪存设备。

图5.该 IC 产生 V聚丙烯12V 闪存 （12V） 所需的编程电压。V外针对 30mA 负载进行完全稳压。

与其他类型的电压转换器相比，电荷泵可以在处理低电平信号或需要低噪声操作的应用中提供卓越的性能。在某些情况下，电荷泵现在允许在唯一可行的解决方案是线性稳压器的应用中进行电压转换。请注意，这些优势并不适用于所有电荷泵。与基于电感的电路相比，一些缺点也变得明显。

最直接的优点是消除了电感器或变压器附带的磁场和EMI。一个EMI源保留在电荷泵电路中，即当它连接到输入源或另一个具有不同电压的电容器时流向“跨接电容器”的高充电电流。瞬时电流仅受相关电容ESR和开关电阻的限制，可低至5Ω。除非电荷泵专为低噪声工作而定制，否则这些高ΔI/Δt事件产生的噪声只能通过后置滤波或大电容来消除。

低噪声电荷泵转换器的一个例子是MAX850（图6）。该器件设计用于为 GaAsFET RF 功率放大器产生非常安静的负偏置电压，将反相电荷泵与低噪声负输出线性稳压器相结合。MAX850工作在5VDC，具有高开关频率（100kHz），允许使用小值外部电容。片内稳压器将输出纹波和噪声降至仅 2mVP-P.对于开关电源来说，这种噪声（图7）非常低。

图6.该GaAsFET偏置电源包含一个线性稳压器，可将输出噪声限制在2mVP-P.

图7.图6电路的噪声图显示低于2mV的噪声P-P.

在高电流应用中采用的类似方法为高容量（2G字节及以上）硬盘驱动器中的磁阻读写磁头提供低噪声偏置。此类驱动器通常需要-3V（100mA），输出噪声和纹波不超过10mVP-P。泵输出的开关瞬变再次排除了与 MR 头前置放大器的直接连接，但您可以插入一个由三个晶体管构成的廉价且可维修的线性稳压器（图 8）。这种安排足以满足大多数用途。然而，其输出精度取决于 V在公差，因为（为简单起见）V在作为监管机构的参考。输出纹波和噪声约为5mVP-P。

图8.廉价但可维护的三晶体管电路为电荷泵IC增加了一个稳定的100mA、-3V输出。

电容器选择

与电荷泵设计相关的信息有时难以捉摸的是特定负载电流所需的最小电容值。对于大多数电荷泵IC，数据手册建议仅使用一个或两个电容值，但（通常）芯片可以在很宽的范围内工作，尤其是在负载电流较低时。在大多数设计中，应指定提供可接受的输出电压、电流和纹波水平的最小电容值。这些量取决于开关频率和开关电阻以及电容。

电容值对纹波和输出电流的影响如图9所示的1张图表所示（表660进行了总结）。每张图表包括五条曲线，补充了Maxim的三种常见电荷泵DC-DC转换器（MAX860、MAX861和MAX<>）的数据资料信息：

MAX660，高频模式（FC = V+），约40kHz

MAX860，高频模式（FC = OUT），约100kHz

MAX860，中频模式（FC = GND），约40kHz

MAX861，高频模式（FC = OUT），约200kHz

MAX861，中频模式（FC = GND），约90kHz

这些图表表明，小型陶瓷电容器通常可以支持较低的负载电流。不断发展的陶瓷电容器技术正在以更低的成本产生更高的价值，因此您现在可以从联合化学（前身为Marcon）、Tokin、TDK和Murata Erie等制造商处以10.0美元的批量价格获得30μF的陶瓷电容器。

图9中每条曲线的频率略低于数据手册中的典型频率，因为V在在低侧指定：4.5V = 5V - 10%，3.0V = 3.3V - 10%。一些图表显示 2.0μF 时的电流高于 2.2μF 时的电流。这是因为 1μF 和 2μF 值是陶瓷芯片（带 Z5U 电介质），而 2.2μF 以上的值是钽类型（AVX TPS 系列）。通过加载输出直到V来收集电流和纹波数据外达到表1所示值。（在较高的电容值下，纹波改善可以忽略不计。V外在较低的负载电流下较高，但 -（V外） 永远不会超过 V在.

图9.这些图表（A-H）显示了电荷泵电压转换器的工作频率、电容值、工作电流和输出电压之间的关系。对于给定负载，数据可以选择最小电容值和工作电流。

表 1.图 9 中的图形摘要
 

 

Graph	VIN(V)	VOUT(V)	Plotted Data
A	4.5	-4.0	IOUT vs. cap. value (0.33µF to 22µF)
B	4.5	-4.0	Ripple vs. cap. value, altOUT from "A"
C	4.5	-3.5	IOUT vs. cap. value
D	4.5	-3.5	Ripple vs. cap. value, altOUT from "C"

Graph	VIN(V)	VOUT(V)	Plotted Data
E	3.0	-2.7	IOUT vs. cap. value
F	3.0	-2.4	Ripple vs. cap. value, altOUT from "E"
G	3.0	-2.4	IOUT vs. cap. value
H	3.0	-2.7	Ripple vs. cap. value, altOUT from "G"

 

电荷泵技巧

当然，集成电荷泵的功率转换早于为此目的使用分立电容器。电荷泵技术已在50Hz/60Hz交流线路电源中使用多年，也用于高压乘法器以实现几kV的输出。CMOS模拟开关的使用使得只需很少的部件即可集成复杂的功能。另一个优点是，CMOS开关在低电流时表现出虚拟零压降，而二极管开关上的最小压降为0.6V。但是，在某些情况下，增加分立元件可以提高性能，即使在采用最新电荷泵IC的应用中也是如此。

通过增强双输出电荷泵IC和由分立二极管组成的额外升压级，可以制造出5V至±20V的低功耗转换器。此类电源可用于CCD电源、LCD偏置和变容二极管调谐器。MAX864本身可以从10V输入产生±5V （减去负载比例损耗），或从6.6V输入产生±3.3V。使用额外的二极管电容级（图 10），这些输出可以再次加倍至大约 ±4V在，或乘以 1.5 至约 ±3V在.请注意，外部二极管/电容网络连接到C1以获得±15V输出，或连接到C2以获得±20V输出。

图 10.通过使用外部二极管和电容器增强电路，可以从许多电荷泵IC获得更高的输出电压。这些电路可提供高达 ±20V 的电压。

图11显示了图10中每个电路的输出电压与负载电流的关系，同时使用硅二极管（成本最低）和肖特基二极管（输出最高）。这些电路可提供高达 20mA 的电流，而 1μF 滤波电容器产生的输出纹波小于 100mV。如果需要，您可以使用稍大的电容器来大幅降低该电平。图10中的IC设置为100kHz工作频率，允许使用1μF电容，从而产生7mA的空载电源电流。您可以对较低频率进行引脚编程，将电源电流降至600μA，但要实现图11所示的输出电流，您需要更大的10μF电容。

图 11.这些图表显示 V外与我外图10中的两个电路。

通常，单级电荷泵转换器不能产生大于其正输入电压的负输出。要从8.2V至5.5V输入实现-5V或更高的负输出，请添加分立二极管，如图12所示。峰峰值噪声与图7所示相同，给定稳压输出电压的可用输出电流如图13所示为<>个分立输入电压。

图 12.该低噪声稳压电荷泵外部的二极管电容网络将最小输入电压从4.5V降至2.5V。

图 13.这些曲线显示 I外与受监管的 V外图12电路。

为了避免需要为低功耗计算机外围设备提供电池或线路电压，您可以从串行端口抽取几毫瓦。常见的PC鼠标和其他此类设计依赖于调制解调器控制信号DTR和RTS，但图14所示电路从3线端口的TX线获取电源。其输出能力（8mA）足以满足CMOS微控制器和一些支持电子设备的需求。TX线在负电压下空闲，因此IC的正常输入极性反转（施加在OUT引脚和地之间的负输入电压使IC能够从其正常方向向后泵浦）。齐纳二极管D1为4.7V输出提供并联调节。

图 14.该电荷泵工作在倍压器模式，将负输入电压（来自RS-232端口的TX线路）转换为5mA的半稳压8V输出。

电荷泵IC可以帮助缩小便携式系统中的电源，因此监控制造商不断推出的新技术和新IC设计是值得的。例如，Maxim提供各种电荷泵IC，如表2-4所示。

表 2.单输出电荷泵

 

参数	最大828	最大829	最大860	最大861	最大660	最大1044	ICL7662	ICL7660
Package	SOT23-5	SOT23-5	SO-8， μMAX	SO-8， μMAX	SO-8	SO-8	SO-8	SO-8， μMAX
输出电流（mA典型值）	0.06	0.15	0.2 @ 6kHz， 0.6 @ 50kHz， 1.4 @ 130kHz	0.3 @ 13kHz， 1.1 @ 100kHz， 2.5 @ 250kHz	0.12 @ 5kHz， 1 @ 40kHz	0.03	0.25	0.08
输出（Ω典型值）	20	20	12	12	6.5	65	125	55
泵送速率（千赫）	12	35	6, 50, 130	13, 100, 150	5, 40	5	10	10
输入 （V）	1.25 到 5.5	1.25 到 5.5	1.5 到 5.5	1.5 到 5.5	1.5 到 5.5	1，5 到 10	1，5 到 20	1，5 到 10

 

表 3.稳压电荷泵

 

参数	最大619	MAX662A	MAX840/843/844	MAX850/1/2/3
Package	SO-8	SO-8	SO-8	SO-8
输出电流（mA典型值）	0.075	0.185	0.75	2
输出 （V）	5±4%	12±5%	-2，或将 -0.5 设置为 -9.4	-4.1，或将 -0.5 设置为 -9
保证我外（毫安）	50	30	4	5
泵送速率（千赫）	500	500	100±20	100±20
输入 （V）	2 到 3.6	4.5 到 5.5	2，5 到 10	4，5 到 10
关闭	是的	是的	是的	是的
功能/评论	—	闪存 V聚丙烯	低噪声砷化镓场效应晶体管偏置	低噪声砷化镓场效应晶体管偏置

 

表 4.多输出电荷泵

 

参数	最大680	最大865	最大864
Package	SO-8	微最大	QSOP
输出电流（mA典型值）	1	0.6	0.6 @ 7kHz， 2.4 @33kHz， 7.0 @ 100kHz， 12@185kHz
输出 （V）	±10V （5V 输入）	±10V （5V 输入）	±10V （5V 输入）
正 Z 值外（典型Ω）	150	150	55
负 Z外（典型Ω）	90	75	34
泵送速率（千赫）	8	24	7, 33, 100, 185
输入 （V）	2 到 6	2 到 6	1，75 到 6
关闭	不	不	是的

 

审核编辑：郭婷