charge pump的原理介绍

2021年12月1日汽车技术评论396阅读模式
写在前面:最近遇到一个很有意思的case,在排查过程中发现MCU芯片上有个charge pump的功能,作为软件工程师,感觉阔了眼界,查了点资料,分享出来,大家品鉴。    

1   电荷泵是什么?

电荷泵(charge pump),也称为开关电容式电压变换器,是一种利用“快速”(flying)或“泵送”电容(非电感或变压器)来储能的DC-DC变换器。

charge pump的原理介绍

电荷泵能使输入电压升高或降低,也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电或放电,从而使输入电压以一定因数(比如1/2,2或3)倍增或降低,最终得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证80%以上的效率而且只需外接陶瓷电容。

2   电荷泵的原理

电荷泵的基本原理是,通过电容对电荷的积累效应产生高压,使电流由低电势流向高电势。通俗来讲就是给电容充电,把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷,然后连接到另一个电路上,传递刚才隔离的电荷。

举个形象的例子,可以把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满,关闭龙头,然后把桶里的水倒进另外一个大水箱。

如下图最简单的电荷泵,假设二极管为理想二极管跨接电容A端通过二极管接Vcc,另一端B端接振幅Vin的PWM方波。当B点电位为0时,A点电位为Vcc;当B点电位上升至Vin时,因为电容两端电压不变,此时A点电位上升为Vcc+Vin。所以从图中可知,A点的电压就是一个PWM方波,最大值是Vcc+Vin,最小值是Vcc。

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电荷泵称为开关电容DC-DC变换器,在和基于电感的DC-DC开关电源相比较时,又称为无感式DC-DC电源变换器。电荷泵采用电容为开关和储能元件,与采用电感作为储能元件的电感式开关DC-DC转换器相比,电荷泵的主要优点如下:高效率;体积小;低静态电流;最低工作电压更低;低噪声;低电磁干扰。因为没有磁场的高速变换,即电一磁、磁一电的高速变换,而只有对电容的高速充、放电过程,电磁干扰问题几乎可以忽略;

从目前实用的硅集成技术来看,电容的集成比电感的集成更为容易和廉价,电荷泵也就更容易实现高度集成:输出电压的调节范围更大;对整体应用电路而言,成本低。荷泵目前主要的用途:小功率倍压、电压反转应用,典型的应用如单电源的5V、3V系统为RS232等串行系统提供±12V的信号电平。

电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段,开关S1和S2关闭,而开关S3和S4打开,电容C1充电到输入电压:

charge pump的原理介绍

在第二阶段,开关S3和S4关闭,而S1和S2打开。因为电容C1两端的电压降不能立即改变,输出电压跳变为输入电压的两倍。

    charge pump的原理介绍

电荷泵解决方案在应用中也有缺点,其主要缺点是:只能提供有限的输出电压范围,绝大多数电荷泵的转换比率最多只能达到输入电压的2倍,这表示输出电压不可能高于输入电压的2倍。

稍微复杂些的电路分析:

charge pump的原理介绍

图中自举升压电路解析:

  • 上电时:电源+11V流过D1、D2向C3充电,C3上的电压很快升至接近11V;

  • 如果Q6导通,C1负极被拉低,C1形成充电回路,会很快C1充电至11V;

  • 当PWM波形翻转,Q6截止,Q3导通,C1负极电位被抬高到接近电源电压11V,水涨船高,此时C1正极电位已超过电源电压,并高于C3端电压。因为D1的存在,该电压不会向电源倒流;

  • 此时开始先C3充电,C3上的端电压被充至接近2倍电源电压22V;

  • 只要Q3、Q6一直轮流导通和截止,C1就会不断向C3充电,使C3端电压一直保持22V的电压。

最后,找了下教科书上的描述,一起品品:

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最后,建议大家在学习精进本职工作的同时,适当抬起头来,了解上下游同事的工作内容,兴许对你的工作有意想不到的帮助。


作者简介:

Demu传统汽车电控向智能驾驶转变的汽车人。从事发动机控制器系统工程师和软件工程师多年,有丰富的ECU系统和软件设计经验。欢迎大家一起留言交流,共同进步。

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