电荷泵分压器的特性

电荷泵电压转换器主要以其倍增器和逆变器配置而闻名。本文重点介绍分压器电荷泵配置，它将输入电压精确地分频为2。

虽然电荷泵电压转换器在当今许多DC-DC能量转换器中很常见，但主要以其倍增器和逆变器配置而闻名。本文重点介绍分压器配置，它将给定输入电压精确地除以二。在简要回顾了电荷泵的基本原理之后，将介绍两种应用：从两节锂电池高效产生稳定的3.3V电源，以及从5V高效推导10V电源。

电荷转移过程

正如基于磁性的转换器采用电感器一样，电荷泵转换器使用电容器来存储和传输能量。对于最新的电荷泵转换器，半导体技术的最新进展已经突破了1MHz的工作频率限制。更高的频率允许更小的元件，并且多层陶瓷电容器（MLCC）技术的同时进步使得能够构建确实很小的转换器。其元件高度低，可实现适用于PCMCIA卡的薄型转换器。

电荷泵有两种基本拓扑结构，倍增器和逆变器，其特点是两步能量传输（图 1）。在每种情况下，输入电容（C我）确保来自本地电源的低阻抗，因此能够提供高水平的瞬态电流。为避免寄生电感引起的电压降，最好将此电容器连接在转换器附近。

图1.这些基本组件说明了电荷转移过程。

CF传统上被称为“飞跨电容器”。在步骤 1 中，当交换机 S1 和 S2 关闭且 S3 和 S4 打开时，CF直接连接在输入电压两端。S1 至 S4 开关应具有非常低的串联电阻。充电然后在 C 之间转移我和 CF直到它们的电压在值和极性上变得相等。由于 S1 和 S2 不是理想的开关，因此大部分电荷转移需要有限的时间才能完成。在该间隔之后，如果输入发生器具有非常低的源阻抗，则由C获取的电压F等于（几乎）输入电压VA - VB.

步骤 2 包括打开 S1 和 S2，同时关闭 S3 和 S4。为了安全起见，两个步骤之间引入了延迟，以避免转换器的左右部分之间出现短暂的连接。当S3和S4闭合时，CF将电荷与输出电容CO一起传输，直到这些电容电压达到相同的值。同样，交换的持续时间取决于 S3 和 S4 中的串联电阻。为避免寄生电感的影响，CF和CO应与其他元件紧密连接。然后，电荷从CF转移到CO，前提是输出节点连接到正常负载（而不是发电机）。

因此，C我将有限量的费用转移到 CF，然后是 CF连接到 CO.如果步骤1和2重复足够多的次数（并且如果输出没有短路），则C两端的电压O跨 C 的方法我.该电路均衡输入和输出节点上的差分电压。这一特性使具有高边驱动器的电压发生器的构造成为可能，并提供了大量其他应用，其中电压逆变器和倍增器是最简单的。

逆变器是通过将节点C连接到节点B获得的，B节点通常成为接地参考。VA - VB = VC - VD，因此如果 VB = VC = 接地，则 VD = -VA。由于节点C和B是通用的，因此可以将此功能与关断输入配合在6引脚封装中。例如，Maxim的MAX1697电荷泵反相器采用6引脚SOT23封装，可提供高达60mA的输出电流。

通过将节点 D 连接到节点 A 获得倍增器。 VC - VA = VA - VB，因此 VC - VB = 2（VA - VB）。如果 VB 等于地，则 VC = 2VA。作为Maxim®广泛的电荷泵倍增器系列中的一个例子，MAX1682 5引脚SOT23器件可以产生两倍的输入电压，同时提供高达45mA的电流。

通过正确连接，其他设备也可以配置为逆变器模式和倍增器模式。例如，采用1681引脚SO封装的MAX8可提供高达125mA的电流。该器件采用小至 1μF 的陶瓷电容器工作，工作频率接近 1MHz。

可以使用多种技术来构建开关 S1 到 S4。Maxim器件采用真正的MOS开关，闭合时允许电流沿任一方向通过。此功能具有有趣的后果，因为它允许能量从输出传输到输入，以及输入到输出。

分压器原理

上面的每个示例都会产生一个是输入电压两倍的输出电压。另一种已知多年的方法是将输入电压除以 2（图 1）。类似于图 1 的标签和符号显示了此拓扑与图 2 拓扑之间的类比。如果将B和C视为虚拟地，则图<>电路可视为逆变器。（在这种情况下，负输出是节点 D。如果将B和C视为输入，将节点A视为输出，则该电路也可以被视为倍增器。

图2.分压器拓扑结构可视为逆变器或倍增器。

无论哪种方式，电荷泵都会不断尝试在CI和CO两端保持相等的电压，无论电容的值是否相差很大。如果电荷泵没有内部损耗和输出电流，则（VA - VB）和（VC - VD）之间的恒等式将是精确的。电荷泵分压器（和乘法器）的这一特性确保了非常精确的电压比，而不必担心元件精度。一个有用的应用是从正电压产生负电压，而不会损失与运算放大器及其电阻网络相关的精度。

该电路的另一个有用特性是其非常低的输出电阻。为了评估此参数，请考虑电路（如图1中的逆变器）的输出电阻（RO）的定义。RO = [（VC-VD） 开路 - （VC - VD）]/IO，其中 IO 是有用的输出电流。在逆变器和倍频器方案中，（VC-VD）开路等于（VA - VB），因为输入发生器应该具有非常低的内部阻抗。关于输出电流，这些配置中的（VA - VB）变化不大。

图2中的分路器配置并非如此，其中恒定输入电压为（VA - VD）。输出电压 （VC - VD） 的每个压降都由相等且相反的压降 （VA - VB） 进行补偿。这样，分压器的输出电阻就增加了两倍。仔细观察原理图，我们发现通过电荷泵稳压器的总电流不是IO，而是IO/2，因为在平衡时，没有直流电流可以流过CI、CF或CO。CI在步骤1中收到的每笔费用都转移到CO，CF作为介质。然后电荷从 CO 转移到输出电路。Ve输送到CI的电荷继续通过节点B并加入总输出电流。在平衡状态下，电荷和相关电流的值相等。

完全尊重能量守恒定律，输入电压为IO/2提供IO输出电流。这再次将输出电阻提高了两倍，这意味着分压器的输出电阻是倍增器或逆变器配置的四分之一。（电荷泵逆变器的输出电阻可以近似为RO = TOSC/CF + 2RSW + 4ESRCF + ESRC0，其中TOSC是开关周期时间，RSW是开关电阻的总和，ESRCF和ESRC0分别是飞电容和输出电容的寄生串行电阻。这一特性非常令人感兴趣，因为分压器具有两象限功能：它可以将能量从输出传输到输入以及输入传输到输出。

充分利用两节串联锂离子（Li+）电池

为了向打印设备等子系统供电，一些便携式产品需要大于7.5V的电源电压。这一要求要求需要高振幅的短持续时间电流脉冲，但不够短，无法依赖本地储能电容器。一种解决方案是两节串联的Li+电池，提供8.4V的低源阻抗。产品数字和模拟部分通常需要的低压电源可以使用线性稳压器从8.4V获得。

这种方法虽然简单，但效率不高。打印操作通常不频繁，但必须连续提供8.4V电压才能为较低电压轨供电。克服这个问题的一种简单且高效的板级方法是使用图3中的电路。IC1是一款6引脚SOT23逆变器，在基本逆变器模式下可提供高达60mA的电流，典型输出阻抗为12Ω。“U”后缀表示工作在250kHz的IC需要不大于1μF的电容，典型输出纹波为30mVP-P对于这种情况。

图3.该电路将8.4V电池电压分压3，利用LDO线性稳压器（IC3）从4.2V获得2.<>V电压。

“二分路器”方案具有120mA的输出电流能力，其效率（典型值为83%）远高于线性稳压器（50.4V输出的最大效率为2%）。更灵敏的电路由低压差（LDO）线性稳压器IC2提供。IC2的典型宽带RMS噪声仅为30μV，这要归功于10nF电容C2。在电路的这一侧，能量传输显然是不可逆的，因为LDO电流只能从输入流向输出。

两个输出电流的总和（不超过120mA）由MAX1697U提供，典型输出阻抗为3Ω。建议使用低 ESR 陶瓷电容器，以便在最宽的温度范围内获得最佳性能。这些小型电容器采用 EIA 型 CC0603 封装，尺寸与两个 SOT23 封装兼容。

一个250mA、双象限分压器

视频应用通常需要一个10V模拟电源和一个5V电源，用于数字和低压模拟电路。图4中的电荷泵逆变器可提供高达125mA的输出电流，输出阻抗低至3.5Ω。该电路还通过均匀分配5V至10V的输入电压来提供11V。

图4.单个IC从相当于输入电压一半的输出电压提供250mA电流。

分路器方案中的输出阻抗不超过0.9Ω，表示全输出电流下的最大压降为225mV。四个高功率开关 S1 至 S4 采用 8 引脚 SO 封装，可在满载时轻松耗散 10% 的能量损耗。当今的 2.2μF 陶瓷电容器采用 EIA CC0805 封装，有些甚至更小。电容值的进一步增加除了降低输出纹波之外，没有其他主要优势。

该基本电路是完全可逆的，这意味着输出可以吸收电流并将能量发送回输入电压。您可以添加与5.5V输出串联的LDO线性稳压器，以提供无法承受纹波的负载。p沟道LDO稳压器，如MAX603，其最大压差为220mV/200mA，非常适合此目的。

审核编辑：郭婷