發布日期：2022-04-20 點擊率：66
我工作的產品線為 LCD 和 AMOLED 顯示器開發多軌電源。此類電源通常具有一個或多個電感轉換器，外加一對電荷泵以產生額外的低功率輸出電壓。電荷泵非常適合這些應用，因為它們相對簡單且便宜。
圖 1 顯示了一個電荷泵，它使用升壓轉換器的開關節點來驅動飛電容。為避免中斷升壓轉換器操作，最好不要過多地加載開關節點。一個好的經驗法則是確保電荷泵的輸出功率小于升壓轉換器輸出功率的 10% 到 20%。
圖 1：從升壓轉換器的開關節點驅動電荷泵
在該電路中，升壓轉換器的開關節點產生一個矩形驅動波形，其占空比 D 大約等于，其中 V I是升壓轉換器的輸入電壓。二極管 D1 和 D2 構成一個單刀雙擲 (SPDT) 開關。
該電路的輸出電壓由公式 1 給出：
(1)
其中，V F是二極管的正向電壓，I O是輸出電流，R O是電荷泵的輸出電阻。
我在上一篇文章中描述了當飛跨電容大于某個臨界值時R O如何達到最小值，圖 2 再次顯示。使用開關節點驅動電荷泵時的主要區別在于占空比DC/DC 轉換器的周期對 R O (min) 的值有影響，只要 D 遠離 0.5，該值就會增加（見圖 3）。
圖 2：輸出阻抗與飛電容
圖 3：占空比對 R O (min)的影響
出于所有實際目的，開關節點的輸出阻抗接近于零。哪個好，對吧？實際上并非如此，因為極低的驅動阻抗會導致高峰值電流流入開關節點，這有時會破壞升壓轉換器的運行。在啟動期間尤其如此，此時飛跨電容器必須在從 0V 到接近 15V 的多個周期內充電。當然，您也可以同樣出色地使用開關節點來產生負輸出電壓（參見圖 4）。
圖 4：驅動反相電荷泵的升壓轉換器
該電路的數學運算類似于倍壓器情況：
又在哪里 
有多種方法可以調節分立電荷泵的輸出電壓，但目前最簡單的方法是讓電荷泵開環運行并簡單地使用線性穩壓器進行后調節。使用這種方法不會影響效率——除了最復雜的電荷泵調節技術之外，其他所有技術都會燒掉未使用的功率——而且更容易穩定。圖 5 所示的替代電路很有吸引力，因為您可以使用正向調節電路來控制負輸出電壓，但以這種方式直接調節電荷泵的輸出電壓通常會導致電荷泵的控制回路與升壓轉換器的控制回路“對抗”控制回路。解決這個問題的一種方法是確保電荷泵的交叉頻率比升壓轉換器的低得多（例如，至少低五倍）。
圖 5 – 調節反相電荷泵
本文中的示例顯示了從升壓轉換器的開關節點運行的電荷泵，但您當然可以使用其他轉換器拓撲。升壓轉換器中開關節點的主要優點是其幅度是恒定的。在使用降壓或降壓-升壓轉換器的開關節點時情況并非如此，其中幅度隨輸入電壓而變化。當然，如果您使用穩壓輸入電壓運行，則無論您使用哪種拓撲結構，都不會出現此問題。
正確的電荷泵操作依賴于永久可用的驅動信號。如果電荷泵在低輸出電流下使用脈沖頻率模式 (PFM) 以提高效率的轉換器運行，則無法保證這一點。在 PFM 操作期間，DC/DC 轉換器會突發切換；在開關脈沖之間的暫停期間，電荷泵的輸出電壓將衰減，因為它的輸出電容器必須提供所有的輸出電流。如果驅動電荷泵的 DC/DC 轉換器始終在脈寬調制 (PWM) 模式下運行會更好。
類似地，如果升壓轉換器電感電流不連續，電荷泵的正確運行可能會受到干擾，在這種情況下，電荷泵的驅動信號就會消失。如果升壓轉換器的輸出電流足夠高，電感電流可能會保持連續。或者，如果轉換器使用同步整流，則電感器電流可能會保持連續，即使在低輸出電流時也是如此。（但請注意：一些同步轉換器，尤其是那些針對低功率應用的同步轉換器，會在電感電流為零時關閉同步整流器并進入斷續導通模式 (DCM)）。
在本系列的最后一部分中，我將介紹多級電荷泵。
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