商务网站建设综合实训,建筑公司财务做账流程,2023新闻头条最新消息今天,好品牌设计公司目录分类原理电荷泵基础开关电容稳压器的细调功能电荷泵的电压增益调节输出电容#xff08;Co#xff09;优点电容式开关稳压器减小纹波相关应用老师的主页#xff1a;唐老师讲电赛 视频地址#xff1a; 电源大师3——电容式开关电源#xff08;电荷泵#xff09;工作原理…
目录分类原理电荷泵基础开关电容稳压器的细调功能电荷泵的电压增益调节输出电容Co优点电容式开关稳压器减小纹波相关应用老师的主页唐老师讲电赛 视频地址 电源大师3——电容式开关电源电荷泵工作原理、数据手册、PCB设计。 电荷泵型稳压器charge pump又称为电容式开关稳压器开关电容式电压变换器开关电容DC-DC变换器switched capacitor voltage converter在和基于电感的DC-DC开关电源相比较的时候又称之为无感式DC-DC电源变换器电荷泵采用电容为开关和储能元件。
分类 对比
类型优点缺点应用LDO设计简单低噪声低纹波体积小EMI小只能降压发热严重手机等便携式设备AD/DA transceiver供电(电感式)开关变换器高效大功率可升压可降压设计复杂体积大EMI影响大对纹波要求不高的负载LDO前级电荷泵比LDO效率高低静态电流比开关变换器简单比开关变换器小没有电感噪声低。最低工作电压低电压可升可降一般只能提供中小功率小功率供电运放负电源等
原理 电荷泵型稳压器的基本工作原理是用电容从输入端充电然后再将电容连接到输出端放电。根据电容连接到输出端的方式电荷泵型稳压器可以实现倍压电容串联和反压电容反接。本节介绍几种常见的电荷泵型开关稳压器及其工作原理。
电荷泵基础 先看一下最简单的单倍电压传输和反压。单倍电压传输是电容性开关电源最简单的模型如下图有4个开关控制电容的充电和放电。充电周期S1和S3闭合S2和S4断开放电周期S2和S4闭合S1和S3断开。根据电容的物理公式qC×UqC×UqC×U可以得到在充电周期内电容获得的电荷q1C×Vinq1C×Vinq1C×Vin。放电周期内电容释放电荷为外部电路提供能量电容电压等于VoutVoutVout时放电周期结束电容上剩余电荷q2C×Voutq2C×Voutq2C×Vout根据电荷守恒可以得到传输的电荷q1−q2C×(Vin−Vout)q1-q2C×(Vin-Vout)q1−q2C×(Vin−Vout)。 单倍电压传输电荷泵开关电源 开关切换的频率为FsFs1/tsFsFs 1/tsFsFs1/ts则电荷传输产生的平均电流Ioutq1−q2/tsC×Fs×(Vin−Vout)Ioutq1-q2/ts C×Fs×(Vin-Vout)Ioutq1−q2/tsC×Fs×(Vin−Vout)。电荷泵开关电源的等效内阻为RVin−Vout/Iout1/C×FsR Vin-Vout/Iout 1/C×FsRVin−Vout/Iout1/C×Fs当开关频率较低时FsFsFs导致的内阻占主要部分。当FsFsFs较高时内部开关导致的电阻传导损耗和开关损耗占主要部分。 介绍了单倍电压传输根据其结构将电容的极型反接到输出即可实现反压。如下图(C1为飞跨电容C2为输出储能电容) 反压型电荷泵开关电源 对比单倍电压电路可以看出反压电路中将输出端VoutVoutVout和GND进行了调换S2接GNDS4接VoutVoutVout这样在充电完毕后S2上的电压比S4高放电时S2和S4闭合电容上的电压依旧保持就相当于GND比VoutVoutVout电压高VoutVoutVout相对GND就是负压了。 再分析一下双倍电压产生和半电压产生。如下图所示在单倍电压电路上做一些改动将VinVinVin连接到S4的另一端。这样在充电周期C上的电压VcVinVcVinVcVin在放电周期C串联在输出和输入之间VoutVcVin2×VinVoutVcVin2×VinVoutVcVin2×Vin实现了倍压功能。 如何实现1/2电压转换呢很简单将电路倒过来用Vout和Vin交换。充电时C和输出电容C串联Vin对2个串联的C充电充电完毕时每个C上有一半的Vin.放电时两个c并联将1/2的Vin送到Vout. 在半压电路上再稍作改变将中间的电容C拆分为两个串联电容C1和C2如下图所示 充电周期C1和C2的电压和为VinVinVin则C1和C2的中间点电压为0.5Vin0.5Vin0.5Vin放电周期C2串联在VoutVoutVout与VinVinVin之间VoutVin0.5Vin3/2∗vinVoutVin0.5Vin3/2*vinVoutVin0.5Vin3/2∗vin.实现了3/23/23/2倍电压转换。 从上面的分析可以看出电荷泵型的开关电源既有趣又巧妙通过内部开关改变电容的连接方式就能实现多种电压转换功能。电荷泵型开关电源还有多种拓扑结构这里不再一一累述。常用的几款电荷泵稳压器例如TPS60500用于高效的降压TPS60110低噪声升压电源TPS60400低功耗反压等。
开关电容稳压器的细调功能 从上节的分析可以看出电荷泵型开关电源的输出是Vin的整数倍或者离散的小数倍不能达到像LDO那样的任意值。如果要使电荷泵型开关电源具备这样的能力就需要在后面添加线性调整器post regulator在电荷泵调压的基础上线性调整器再次进行调节。由于线性调整器的存在电荷泵开关电源就存在损耗问题。 除了这种方法外还有一种使电荷泵开关电源精细调节输出的方法根据前面章节的介绍线性调整器中是使开关管工作在线性区来分压进行调节同理在电荷泵开关电源中加以改进使控制电容连接的开关管工作在线性区分压后给电容充电或者放电也可以达到精细调整如下图所示充电和放电回路上有开关工作在线性区进行分压. 这种方法跟线性稳压器的原理类似由于开关管工作在线性区其上的分压V和流过的电流I相乘就产生损耗. 第三种方式是利用Fs改变电荷泵开关电源的等效内阻根据前面分析电荷泵开关电源的等效内阻为R(Vin−Vout)/Iout1/C×FsR(Vin-Vout)/Iout 1/C×FsR(Vin−Vout)/Iout1/C×Fs。R随着Fs的增大而减小所以调节Fs可以调节等效内阻上的分压进而实现对Vout的细调。这个方法原理上是用PFM脉频调制来实现电容C的充电放电控制。这种方法中开关管仍然工作在开关状态损耗比线性区少但是代价是输出纹波较大并且开关损耗增大。
电荷泵的电压增益调节 从上节可以了解到电荷泵开关电源为了实现细调功能会引入较多的损耗从而导致效率降低。为了改善这个情况电荷泵开关电源可以使用电压增益调节功能。在分析这个功能的原理前先介绍几个定义。 电压增益是指不使用细调功能时VoutVoutVout和VinVinVin的比值GainVout/VinGain Vout/VinGainVout/Vin例如VoutVinVoutVinVoutVin则电压增益为1Vout1/2VinVout1/2VinVout1/2Vin则电压增益为0.5不使用细调功能电容仅靠改变连接关系实现倍压和分压. 电荷泵开关电源效率输出功率/输入功率 不考虑损耗时电源能量守恒Vin×IinVout×IoutVin×Iin Vout×IoutVin×IinVout×Iout电流为平均电流 根据电压增益GainVout/VinGain Vout/VinGainVout/Vin得到IinVout/Vin×IoutGain×IoutIin Vout/Vin×Iout Gain×IoutIinVout/Vin×IoutGain×Iout. 考虑到电源自身消耗的能量输入电流为IinIqIinIqIinIq 输入功率为Vin∗(IinIq)Vin×(Iout×Gain)Vin×IqVin*(IinIq)Vin×(Iout×Gain)Vin×IqVin∗(IinIq)Vin×(Iout×Gain)Vin×Iq 代入效率公式可以得到
EffVoutIoutVin(IoutGain)VinIqE_{ff}\frac{V_{out}I_{out}}{V_{in}(I_{out}Gain)V_{in}I_q} EffVin(IoutGain)VinIqVoutIout 这个公式中可以看到当VoutIoutVoutIoutVoutIout和GainGainGain不变时VinVinVin越高效率越低。要改变这一状况就要使GainGainGain能跟随VinVinVin进行调节VinVinVin变高时GainGainGain调小由于IqIqIq较小可以显著减小分母变大的趋势。效率得到提高。下面举例看一下增益调节带来的作用 上图是效率随增益调节后的变化曲线图.X轴是VinVinVin.Y轴是效率。图中有两条曲线实心黑色曲线是Iout10mAIout10mAIout10mA时虚线是Iout120mAIout120mAIout120mA时.EIDEALE_{IDEAL}EIDEAL箭头所指的三条曲线图中三条双曲线形状分别是GainGainGain等于12/312/312/3和1/21/21/2时效率随VinVinVin变化的理论曲线。可以看到随着VinVinVin增大在Vin3VVin3VVin3V时将GainGainGain调整到2/32/32/3效率从60%提高到90%在Vin4VVin4VVin4V左右时将Gain调整到1/21/21/2效率从70%增加到85%以上。可以明显的看到GainGainGain在改善效率中发挥的作用. TPS6050X系列的电荷泵稳压器正是利用了这个原理实现效率的提高上图是TPS60503的效率随输入变化的曲线可以看到可以远远高出图中LDO的效率。下图是TPS6050X的内部框图使用了开关阵列来调节电容的连接方法从而实现GainGainGain的调节。并且集成了误差放大器用于调节开关的导通阻抗实现细调功能。 前面提到的在电荷泵开关电源后加LDO实现细调这个电流结构中如果加入Gain调整作用相当于减小了LDO的输入电压使LDO两端的压差降低所以提高了效率。
输出电容Co 增加输出电容的尺寸可以降低输出纹波电压。减小其ESR可以同时减小输出电阻和纹波。如果能容忍较高的输出纹波较小的电容值可以用于较轻的负载。用下面的公式计算纹波的峰峰值。 VO(ripple)IOfosc×CO2IO×ESRCoV_{O(ripple)}\frac{I_O}{f_{osc}×C_O}2I_O×ESR_{Co} VO(ripple)fosc×COIO2IO×ESRCo 关于ESRMLCC 钽电容 固态电容 高频低阻电解电容 电解电容 电容的电容量越大越好电容的ESR越小越好MLCCX7R X5R 钽电容但是要防止在上电瞬间烧切换开关上电瞬间电容两端电压为0开始充电瞬态电流过大可能会烧开关即烧芯片。一般取推荐值的1.5~2倍。
优点 通过上面的分析电荷泵开关电源的效率介于LDO和电感开关电源之间能提供较高的效率和较小的PCB占用面积。应用在整数倍压和反压时特别合适。总结为以下几条指导建议电荷泵开关电源的几个优点 提供比LDO高的效率 比电感型开关电源更节省PCB面积。 比电感型开关电源的辐射小 成本比电感型开关电源低 设计中需要注意的地方 由于外部电容在切换中经常要倒换极性所以尽量不要使用电解电容优选陶瓷电容 电容充放电中ESR会导致损耗优选ESR低的电容 为了提高工作温度范围优选X7R和X5R 电容输出、输入电容越大输出、输入电压波动越小 中间的电容负载从输入传递能量给输出所以容量越大提供电流能力越强。 电容式开关稳压器 和电感型开关稳压器通过电感来储能不同电容型开关稳压器通过电容来储存能量因此其输出功率普遍偏小但其结构简单通常是内置开关元件只需外部加入电容即可工作。如图所示增加了稳压电路 电荷泵产品可构成升压降压和反向型电路其最重要的应用还是升压以满足手持式低功耗设备中比电池电压更高的电源需求。现代的电荷泵产品除了提供固定升压倍数的电压输出外还可以提供小数倍的电压倍数和稳压输出的电源电压比如简单的倍压型的充电泵的简化内部电路如下 其工作原理 在第一个阶段开关S1和S4闭合CFLY被充电到VIN在第二个阶段VIN和CFLY上的电压VIN串联后给负载供电即负载上出现两倍的VIN电压。 倍压型的充电泵过于死板产生的电压过于固定于是有小数型的倍压数的充电泵产品诞生其简化内部电路如下 与简单倍压型的充电泵不同这里有两个外部电容内部的开关也从单一的通断变成了单刀双掷通过这两个外部电容的充放电与开关控制串并联的组合可以产生多种输出电压的组合这里以1.5倍输出电压为例简述其工作原理 在第一个阶段通过开关的选通使得VIN给CFLY1和CFLY2同时充电由于CFLY1和CFLY2串联所以其上各分得0.5倍的VIN在第二个阶段开关重新组合使得VIN和并联的CFLY2和CFLY1上的0.5VIN一起给负载供电即1.5VIN出现在负载上。 显然即使是小数型倍压的充电泵也不是那么的方便比如电池电压从3V一直下降我们很难让输出保持在5V上这时从倍压型或小数型的充电泵上又出现一些变形即在倍压型或小数型充电泵中加入反馈和稳压模块如下图所示是在一个倍压电路中加入稳压电路 稳压型充电泵可以在变化输入的电压下提供恒定的输出所以非常适合在电池供电的场合中应用但由于其稳压的动作效率降低比如在2倍压的电荷泵的基础上做稳压电荷泵其效率为VOUT/2VINV_{OUT}/2V_{IN}VOUT/2VIN TI的大多数充电泵产品都是稳压型的充电泵TPS60xxx是充电泵类的产品: 减小纹波 为了减少输出电压纹波可以后置一个RC低通滤波器。 一个输出滤波器可以很容易地由一个电阻(Rp)和一个电容(Cp)组成。截止频率由: The equation refers only to the relation between output and input of the ac ripple voltages of the filter. 为了减少输出电压纹波可以后置一个LC滤波器。 f12πLPCPf\frac{1}{2π\sqrt{L_PC_P}}f2πLPCP1
相关应用 驱动ADS8326 1建议值可能需要根据具体应用进行调整。 2单电源应用由于运算放大器输出摆幅限制而在接近接地时丢失少量的ADC计数。如果提供负电源这个简单电路可以产生-0.3V电源使输出摆动到真正的接地电位。BAS40就是一个普通的肖特基二极管BAS40导通以后管压降0.3V刚好给运放提供-0.3V的负电压非常巧妙。 MAX232产生负压 计算机的串口是232标准的计算机跟计算机之间通信不需要电平转换。 一般单片机是TTL电平标准的如果跟计算机通信就需要转换一下 MAX232芯片的作用就是电平的转换 RS232采用负逻辑电平 -15~-3逻辑1 15~3逻辑0 当TXD为1TTL时Q3截止PCRXD上的电压与PCTXD电压相等也是-3~-15V为“1RS232 当TXD为0TTL时Q3导通则PCRXD电压约为5V这个电压在3-15V之间根据RS232电平它是0 可以利用MAX232芯片自带的电荷泵作为正负电压源±2VDD±2V_{DD}±2VDD -0.23V电荷泵 运放的电源轨V和V-当V-接地时运放即为单电源供电。 只要数据手册没有说不可以都可以在单电源供电下工作。 现在单电源供电的运放在手持设备低电压设备和ADC驱动中非常常见。 单电源运放的设计要点是偏置电压的设定。 什么要双电源供电 汽车和水上设备等应用中的电池供电型运算放大器仅有一个电源可用。计算机等其他应用虽然可用交流电源供电但仍然只有一个单极性电源如5 V或12 V直流电源。因而在实际操作中往往需要通过单极性电源来驱动运算放大器。但单电源模式确实存在一些不足各级均需采用额外的无源元件而且如果执行不当还可能造成严重的不稳定问题。 单电源供电的两个缺点 输出小信号时误差较大放大微弱信号的时候越接近0轴误差越大。 能处理的频率较低≤100kHz 移动设备快充 高压快充为尽量减小降压电路占用体积电感体积大采用电荷泵半压方案等。
