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无电感的升压和反相:电荷泵电源

助工
2018-09-29 14:26:16    评分
本文讨论了电荷泵DC / DC转换器,并介绍了无电感双极性电源电路的设计。

设计低压电子设备的第一步是决定使用哪种类型的电源。基本上有两种选择:线性稳压器或DC / DC转换器。如今,我们经常选择DC / DC转换器,因为开关模式电压调节通常比线性调节更有效。(如果你想知道为什么我说“一般,”请看看在题为“效率问题”一节这篇文章。)

如果你像我一样,在决定需要一个DC / DC转换器之后,你会立即开始对笨重的电路,复杂的元件选择,噪声输出电压等问题产生兴趣。但重要的是要记住,典型的基于电感的开关稳压器不是唯一的选择。有一个完全独立的拓扑结构可以提供显着的优势,但它肯定不适用于每个设计。

 

电感输出,电容器

无电感DC / DC转换器被称为“电荷泵”调节器,因为它们使用开关周期性地将电荷“泵”到电容器上。我想你可以将它与手动泵送慢慢失去空气的轮胎进行比较。如果你足够快地抽水,轮胎将不会变平,即使它正在失去空气,即使你没有连续注入新的空气。泵送的空气就像输入电流一样,泄漏的空气就像负载电流一样,我猜轮胎压力有点像电压。通过充分泵送(记住泵送= 定期注入空气),您可以无限期地保持较高的轮胎压力和供应负载电流。

因此,首先要了解的是电荷泵稳压器使用开关周期性地将电流从输入电源注入电容器。当输入开关打开时,第二组开关将电容器连接到稳压器的输出侧,以便它可以提供负载电流。要记住的另一个关键点是电容器的电压不会立即发生变化。因此,如果将其充电至5 V然后使用开关更改其连接,则电容两端的电压(V CAP)仍为5 V.这就是电容器可以轻松用作倍压器的原因:

 

 

当连接到输入时,V CAP为5 V.当连接到输出时,V CAP(最初)为5 V.但请注意,输出侧的下连接进入V IN,而不是接地。这意味着V OUT必须 V IN高 5 V 换句话说,V OUT = 2V IN

您可以使用类似的技巧来反转输入电压:

 

 

这里,较低输出连接为V OUT,上输出连接接地。当输入开关打开且输出开关闭合时,V CAP = 5 V,因此输出必须(最初)低于地电压5 V; 换句话说,V OUT = -V IN

可以实现其他输入 - 输出关系,但这两者非常简单,而且如果您从电荷泵调节器开始然后使用线性稳压器微调输出,它们可能就是您所需要的全部(这种方法具有降低噪音的额外好处)。

 

优点和缺点

如果你有阅读我的文章的习惯,你可能会知道我对基于电感的开关稳压器产生了无情的偏见,因此我的第一直觉是宣称电荷泵稳压器普遍优越。然而,当我们根据偏见,恐惧或任性而不是合理的推理得出我们的结论时,这完美地证明了人类是多么荒谬。电荷泵方法在某些应用中很有用,但在许多(或大多数情况下)情况下,基于电感的开关将是更可取的。

 

优点

通常,电荷泵调节器比等效的基于电感的调节器更小,更简单且更便宜。这份好处列表似乎不会很长,但请记住,尺寸,上市时间和成本是当今工程领域的重要因素,有时甚至是至关重要的因素。

 

缺点

电荷泵稳压器不能提供与基于电感的稳压器一样多的输出电流。我不确定如何量化这一点,但似乎基于电感的切换器适用于需要超过50-100 mA的负载。此外,在某些应用中(特别是那些需要高输出电流的应用),电荷泵调节器的效率将低于等效的基于电感的电路(尽管比从LDO获得的效率更好)。

 

噪声

两种类型的开关稳压器都比线性稳压器噪声更大。但是一个比另一个好吗?我的猜测是,这个问题没有明确答案,仅仅因为有太多其他因素会影响噪音。然而,我感觉基于电感的稳压器往往更糟,至少在辐射噪声方面,因为电感更像天线(除非屏蔽,但屏蔽电感更贵ICfans)。如果您有关于电荷泵切换器与基于电感器的切换器的噪声性能的任何信息,请在评论中告知我们。

 

结论

我想介绍这个主题,因为我最近设计了一个5 V至±5 V电荷泵电源电路,可以作为子系统集成到您的下一个模拟或混合信号项目中。我使用了Linear Tech / Analog Devices的LTC3265:

 

图来自LTC3265数据表。

 

我们将在以后的文章中介绍原理图和PCB,我还将提供性能评估,以便您了解这样的电路能够做什么。




关键词: 电荷泵电源     半导体     ICfans    

管理员
2018-09-30 09:21:57    评分
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