使用电荷泵驱动电路-第 4 部分

在结束这个关于电荷泵的简短系列文章时,我想给你一些电路想法,让你思考一个基本的电荷泵电路作为一个适用于广泛应用的构建块。如果我们的应用程序需要一个非标准的解决方案,那么我们很有可能可以将几个简单的组件拼凑在一起。

目前实用的电荷泵的主要不是则是很难实现大功率、高电压应用,在这些方面,目前电感式开关DC-DC转换器还有着无可比拟的优势。具体而言,电荷泵目前主要的用途如下:

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±12的信号电平。

倍压应用,目前主流应用是驱动LED尤其白光LED,在电池供电的手机、数码相机等领域,为LED背光照明和LED闪光灯提供合适的电源。另一个很广泛的应用是为EEPROM和flash存储器提供读写电源,这些存储器IC的电源轨一般是1.8V、3.3V,而读取需要+5V,擦写需要12V,将电荷泵集成到这些存储器IC中,就可以实现单一电源供电。

电荷泵的基本原理是给电容充电,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。我们形象地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一个大水箱[8]。电荷泵也称为开关电容式电压变换器,是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容,而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器(直流变换器)。它们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MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电,从而使输入电压以一定因数(1/2,2或3)倍增或降低,从而得到所需要的输出电压。

电荷泵的每一级都会将输出电压增加大约开关波形的幅度。如果我们想要更高(或者,在反相电荷泵的情况下,更负)输出电压,我们可以级联多个电荷泵级(参见图 1)。

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1:级联多个电荷泵级

我们还可以组合受监管和不受监管的电荷泵级。图 2 显示了这样一个电路,其中可以在大约 15V 和 30V 之间调节输出电压。

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2:带有额外非稳压级的稳压电荷泵

电荷泵电路在充电阶段使用直流电压来设置飞跨电容器的电压。如果我们有它们可用,我们可以在充电阶段使用不同的电压作为电源,以提高转换效率或扩展输出电压范围。

3 显示了一个电路,该电路使用 5V 输入电压从 15V 升压转换器产生大约 19.3V 的输出电压。

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3:高效电荷泵

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4 显示了使用 –5V 电源从 5V 升压转换器产生 –9.3V 的电路。

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4:高效反相电荷泵

5 显示了一个漂亮的小电荷泵电路,它采用了 Dickson 乘法器。这使用反相开关波形来减少所需的开关级数。在此应用中,标准逻辑门生成 5V 矩形波形,用于驱动电荷泵电路以生成大约 18V 的输出电压(尽管具有低电流能力)。

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5:在 Dickson 乘法器电路中使用逻辑门

电荷泵电路有时用于在 DC/DC 转换器电路中产生自举电源,如图 6 所示。在该电路中,连接到开关节点的电容器会产生高于电源电压的电压,从而可以使用用于高端开关的 N 沟道 FET。N 沟道 FET 比等效的 P 沟道器件小,从而提高了性能或降低了成本(或两者的某种组合)。请注意,图 6 中所示的布置仅在开关节点切换时有效,因此它往往仅用于以强制 PWM 工作的转换器。

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6:DC/DC 转换器自举电容器

电荷泵是我们军械库中的有用电路。它们成本低、简单且灵活。许多电路已经具有可用于驱动电荷泵的合适时钟信号,我们所需要的只是一个合适的驱动级。对于要求更高的应用,TI 提供了一系列专用电荷泵器件,这些器件的性能甚至优于自制电荷泵所能达到的性能。

版权声明:aysz01 发表于 2024-09-09 18:12:52。
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