采用无电感的DC/DC转换器解决紧凑型产品的供电问题

由环境能源或小型可充电电池供电，可穿戴设备和物联网（IoT）设备等紧凑型产品面临着将更复杂的功能集成到更小型设计中的持续挑战。作为这些设计的核心，稳定的电源电压对于确保微控制器和满足应用要求所需的其他复杂设备的可靠运行至关重要。虽然电感器一直是电源设计的主要支柱，但工程师可以利用一类无电感的DC/DC转换器和稳压器来平衡复杂功能和新兴应用所需的微小解决方案的需求。

随着整体功能，尺寸和电池寿命的增加，对于竞争激烈的可穿戴设备和物联网市场中的产品越来越重要。对于这些产品，设计人员可以根据外形尺寸削减几毫米的分数，传统开关稳压器所需的外部电感器具有明显的尺寸劣势。同时，需要增加或反转电源，这需要一种比传统线性稳压器更复杂的解决方案。

在使用电感器和简单线性稳压器的高效稳压器之间，电荷泵器件提供了有效的中间效应地面。虽然这些器件可能无法达到基于顶部电感的转换器所能达到的最高效率水平，但它们确实提供了易用性，小尺寸和这些设备所没有的坚固性能的组合。电荷泵操作不依赖于庞大的电感器，而是依赖于少量薄而廉价的陶瓷电容器。与基于电感的稳压器一样，电荷泵设备有升压，降压和反相两种版本，而更先进的电荷泵实际上可以实现接近感应解决方案的效率。

电荷泵运行

电荷泵或开关电容转换器通过对外部电容器充电和放电来提供电力。对于这些电路，通常建议使用表面贴装多层陶瓷电容器。这些电容器体积小，成本低，与钽电容器和铝电解电容器相比，具有极低的等效串联电阻。

先进的电荷泵器件具有高度的灵活性和集成的电源管理功能。然而，所有电荷泵基本上都是通过打开和关闭内部开关来运行的（图1）。振荡器成对驱动开关：在前半周期，开关S1和S3闭合;在下半场，S1和S3开放，S2和S4关闭。该动作将C1的正端子连接到地并将负端子连接到VOUT，因此C1然后与储存电容器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 +）。

图1：在传统的电荷泵装置中，集成振荡器打开和关闭内部开关，使用快速电容C1从输入端传输电荷，并在输出端传输储能电容C2上的升压电压。 （由Maxim Integrated提供）

用于Intersil ICL7660等原型电荷泵，这种驱动开关的简单方法产生不受控制的输出电压，因为集成振荡器以固定频率工作，适用于所有负载。因此，ICL7660和其他简单电荷泵的输出电压会随着负载电流的变化而显着变化（图2）。

图2：传统的非稳压电荷泵（如Intersil ICL7660）的输出电压会随着负载电流的变化而显着变化。 （由Intersil提供）

传统的单输出固定频率器件，如ICL7660，在低振荡器频率和低负载水平下可实现90％的效率。然而，在低频下工作会增加开关损耗，并且在更高的频率和增加的负载下，效率会显着下降。最近的电荷泵设备进一步达到了过去只能从基于电感的开关稳压器解决方案中获得的效率水平。例如，Maxim MAX860非稳压电荷泵IC在大部分负载电流范围内提供超过90％的效率。

稳压输出

设计人员可以通过使用电荷泵输出驱动一个简单的线性稳压器 - 最好是低压输出（LDO）稳压器，如Maxim Integrated MAX8881。或者，设计人员可以找到包含用于稳压输出电压和多种节能模式的集成功能的电荷泵。例如，Maxim Integrated MAX682在其负载电流范围内提供固定输出电压（图3）。

图3：Maxim Integrated MAX682等最新的电荷泵器件在更大的负载电流范围内提供高效率。 （由Maxim Integrated提供）

除了使用电荷泵设备常用的固定频率开关操作外，稳压电荷泵还使用特殊的跳跃模式来调节输出电压。在Maxim MAX682等跳跃模式器件中，当检测到输出高于稳压输出电压（MAX682为5 V）时，集成误差放大器会禁用开关。然后，器件跳过开关周期，直到输出电压下降，误差放大器重新激活振荡器。由于跳过模式仅激活内部振荡器，因此具有跳过模式的器件也可以表现出更低的静态电流和更低的开关耗散 - 对于环境和电池供电的可穿戴设备和物联网设备尤为重要。

对于许多应用而言，电池或能量收集电源的输入电压电平会有所不同。在这种情况下，传统的电荷泵调节器可能在其理想的工作范围之外被很好地驱动，从而降低了效率。出现这种情况是因为电荷泵增益是固定的，并受开关电容和片上开关数量的限制。德州仪器（TI）LM2773等器件通过集成提供多重功能所需的控制功能，满足了对更灵活的电荷泵不断增长的需求（图4）。 LM2773采用稳压电荷泵，增益为2/3x和1x，输入电压范围为2.5 V至5.5 V，适用于单节锂离子电池。该器件可在高达300 mA的负载下产生可选的1.8 V或1.6 V稳压输出。

图4：电荷泵稳压器（如德州仪器LM2773）集成了多次操作所需的功能，可确保在宽电源电压范围内实现高效率。 （德州仪器公司提供）

对于需要正电压和负电压电源的设计，工程师可以将一对简单的电荷泵设备组合在一起，或者更好地转向多路转换器IC，例如Linear Technology LTC3265 。该器件采用一对电荷泵构建，提供简单的无电感解决方案，结合了可变输入源的工作能力，同时提供多个输出轨（图5）。每个电荷泵驱动一个专用的LDO稳压器，能够驱动高达50 mA的输出电流，并使用外部电阻分压器对输出电压进行编程。

图5：对于需要多个电源轨的应用，凌力尔特公司的LTC3265集成了一对电荷泵电路，简化了设计。 （由凌力尔特公司提供）

环境和电池供电设计通常会将其大部分工作时间用于低功耗睡眠状态，定期唤醒样品温度，心率或其他相对较低的事件周期性。在这些应用中，MCU通常必须在内部RAM中保留先前的采样和其他状态信息，即使MCU进入低功耗模式，也必须保持供电以保留该数据。因此，设计人员经常面临向RAM提供电源同时关闭稳压电源电路中所有其他用电设备的问题。

在使用电荷泵的系统中，设计人员可以使用电源管理IC构建简单的解决方案禁用电荷泵，同时继续维持MCU的电压源以保持RAM。例如，设计人员可以在TI REG710等电荷泵和TI MSP430F200等MCU之间插入Texas Instruments TPS3619电池备用监控IC（图6）。

图6：为了限制功耗，设计人员可以使用MCU发出的信号关闭TI REG710等电荷泵稳压器。当REG710输出降至阈值以下时，TI TSP3619 PMIC可以将电源切换到电池 - 为MCU提供足够的电源以保持RAM状态，同时消除REG710和其他电路的功耗。 （德州仪器公司提供）

当MCU完成其处理，已存储其数据并准备进入低功耗状态时，它可以禁用REG710电荷泵。当REG710禁用时，输出电压会降低，直至低于TPS3619的内部跳变电压VIT。此时，TPS3619将VOUT从REG710的输出切换到VBAT输入 - 因此系统消耗的功率最小，同时MCU继续接收足以保留RAM的电源。