斩波电路(三) —— 电荷泵电路

我们这节课来讲电荷泵电路

这期我们讲了 BUCK 斩波电路

那么仅从基本原理来说

降压斩波电路并不难理解

就是说电源我让它间歇工作而已

那么在介绍升压斩波电路之前

我们先来看看电荷泵电路的原理

来获取一些设计的灵感

有这么一个脑筋急转弯的题目

我用一个5V的电池和2个电容

我去如何获得10V的电压呢

那么大多数人都可以回答出答案来

那就是

我拿两个电容串联

再拿着电池去跟每一只电容分别充电

那么两个电容加起来就可以得到10V的电压

这个就是电荷泵电路的基本原理

当然，我们不能拿手拿着电池去给电容充电

还是得用一组开关

如图所示，我们有两组时间开关来切换

电池是给 C1 充电还是给 C2 充电

时间开关的设定是这样的

我们把周期设成200ns

那么呢其中一组时间开关从0s开始开

90ns开始关

另外一种时间开关呢

我们把它设置100ns开

190ns关

那么这样它两组就互补对称

并且留出了10ns的死区时间

防止同时导通导致电池短路

我们看轻负载时的输出电压

当负载等于10欧的时候

输入是5V

输出几乎就是10V

能看见不是很明显的纹波

那么重负载的时候

我们把电阻减小到一个欧姆

输入依然是5V

现在可以看出输出电压形成明显的锯齿

这个原因是电容电压经过负载放电

一旦电池不给这个电容充电

那么负载上的电就得靠电容来

电容电压下降引起这样的锯齿

如果我们增加开关的数目和电容的数目

可以很容易地获得更多的电压输出

那么我们也可以改变排布来得到负电压

我们如图所示

我们依然是四个开关分成两组

开关1和开关2负责给飞电容 Cfly

充上左正右负的电压

充完电以后开关断开

由开关3和开关4

将飞电容上的电反向

充电电流是这个方向

反向给输出电容 C1 充电

以此 C1上得到的就是反压

这就是负压电荷泵的原理

我们看轻负载时候

10欧姆轻负载

输入电压5V

输出电压这个地方呢大概是-5V

纹波也是比较小的

那么重负载时候

同样的，跟前面倍压电荷泵一样形成锯齿

那么电荷泵电路的输出都不能接过重的负载

一般集成电荷泵电源芯片它的电流都在100mA以下

那我们前面看到

电荷泵电路的原理虽然看似很简单

但是因为它所用的开关数目很多

驱动起来非常麻烦

所以电荷泵这种拓扑结构只在集成芯片中使用

我们下面就来讲解一下集成电荷泵芯片

我们打开德州仪器的网站

我们在产品里面找到电源管理

那么在电源管理产品里面呢

我们找到电荷泵

也就是没有电感的开关电源

我们再选择反向电荷泵产品

一共15种

我们选取其中的一个系列

来进行讲解分析

TPS60400系列

其中60400呢是频率可变

60mA电荷泵

剩下几种呢都是内部的开关频率递增的

20k, 50k, 250k

就是说这一系列电荷泵产品

它们只有开关频率不一样

我们点击四种里面任何一种芯片

就可以得到

它的资料下的页面

我们可以下载它的英文说明书

同时呢，同系列的芯片型号的主要参数

也会在同一个页面里面进行比较

下面我们就针对说明书进行讲解

这是TPS60400的典型应用图

跟我们之前讲的电荷泵的反向电路中的原理图基本是一样的

那么飞电容 Cfly

取值1µF

输出电容也是1µF

当1、3闭合的时候

给飞电容充上左正右负的电

2、4闭合时候

飞电容把电荷搬运到输出电容Co上

形成下正上负的输出

那么所谓的飞电容在这里的作用

其实就是搬运工的作用

避免电源Ui直接和Uo发生联系

我们看到输出

这里输出显示是-1.6V到-5.5V

这个意思不是说它是一个可变的电压输出

而是说如果你输入电压是1.6V

那么输出就是-1.6V

输入是5.5V

输出就是-5.5V

最大电流是60mA

我们来看一下飞电容与开关频率的关系

这是不同型号所需要的飞电容电容值

这是芯片的开关频率

第一种60400它因为是可变频率

最高可以达到250kHz

所以它的飞电容也很小—1µF

和这种一样

那我们抛开它不说

剩下几种

20kHz对应的非电容是10

50k对应的是3.3

250k对应的是1

也就是说频率越高飞电容越小

这个很好理解

非电容相当于一个中转仓库

开关频率就是这个仓库的运转速度

你运行速度越快

你如果拉货

拉完以后马上就拉走

那么运转速度越快，你所需要的仓库就越小

那么看典型的电容配置

涉及到输入电容、飞电容和输出电容

在配置表我们看到了

它把这三种电容推荐值都写成一样

该1µF都是1µF

10µF都是10µF

我们节选说明书中有关电容选取的章节

我们来进行一定讲解

第一 输入滤波电容的选择

我们看这句话

电流从电源处开关处

电路的变化是两个 Io 到0之间

也就是说

我这个电荷泵往前级电源所取的电流是波动的

在0到2个 Io 之间波动

这波动很大

这波动很大

因此呢

对于前级的 supply

它需要良好的滤波

那么我们需要根据输入电源的纹波

来选择输入电容

其实就是这个输入电容越大越好

虽然我们前面看见它的推荐电容是1µF

但这个电容我们加大没关系

我们看飞电容的选择

飞电容的作用主要可以用来减小输出的阻抗

但是飞电容你增加到一定程度

它的好处呢就不那么明显

因为这个时候，增大到一定程度之后

输出阻抗就主要由内部开关电阻的阻抗和电容的 ESR 来决定

所以飞电容的选择

我们可以按照芯片说明书推荐值

比如说就用1µF或者说10µF

我们再看纹波的计算公式

这是说明书中的纹波计算公式

它就是分成两个部分

第一项是输出电流在电容上充放电引起的电压起伏

可以想象，如果是个理想电容

我用锯齿波状的电流去给电容充电

就会引起电容上电压的变化

但这个变化显然是和频率有关的

充电时间越长，纹波就会越大

和电容值肯定也有关系

你电容越大

把它充到一定电压所需要的电荷就越多

时间就越久

也就是说增大电容、增大开关频率可以减小纹波

第二个部分

就是输出电流在串联等效电阻上直接引起的压降

我们可以看到

这是电路

这是负载上所需要的电流 Io

当开关4断开以后

负载上所需要的电流

完全是由电容提供的

完全是由电容提供的

所以这个 Io 从下往上流过 ESR

那么开关闭合以后

电容上放掉的电要通过这个方向去充回来

电容上放掉的电要通过这个方向去充回来

同样大小充回来

所以在 ESR 上产生的 delta 压降是两倍的 Io 乘以 ESR

和频率没有关系

这个值很大

我们对比一下

我们刚刚学过的 BUCK 降压斩波电路

它的公式和这个不一样

因为负载上的电流 Io

并不都是由电容 C 来提供的

其中电感也提供

所以它的纹波是和频率有关的一个量，要小得多

也就说如果负载上串联了电感

将可以大大减小纹波

我们来看纹波指标，具体指标

有个列表

当输出电流5个mA的时候

按照它推荐的飞电容输出电容配置

在15到35个mV之间

我们看一眼公式

输出纹波电压和电流成正比

那么我们可以想达到额定电流60mA的时候

纹波电压将会超过100mV

这时候你就需要看用电器负载

能不能接受这么大纹波的供电

也就是说电荷泵芯片能不能使用

好这节课就到这里

我们这节课来讲电荷泵电路

这期我们讲了 BUCK 斩波电路

那么仅从基本原理来说

降压斩波电路并不难理解

就是说电源我让它间歇工作而已

那么在介绍升压斩波电路之前

我们先来看看电荷泵电路的原理

来获取一些设计的灵感

有这么一个脑筋急转弯的题目

我用一个5V的电池和2个电容

我去如何获得10V的电压呢

那么大多数人都可以回答出答案来

那就是

我拿两个电容串联

再拿着电池去跟每一只电容分别充电

那么两个电容加起来就可以得到10V的电压

这个就是电荷泵电路的基本原理

当然，我们不能拿手拿着电池去给电容充电

还是得用一组开关

如图所示，我们有两组时间开关来切换

电池是给 C1 充电还是给 C2 充电

时间开关的设定是这样的

我们把周期设成200ns

那么呢其中一组时间开关从0s开始开

90ns开始关

另外一种时间开关呢

我们把它设置100ns开

190ns关

那么这样它两组就互补对称

并且留出了10ns的死区时间

防止同时导通导致电池短路

我们看轻负载时的输出电压

当负载等于10欧的时候

输入是5V

输出几乎就是10V

能看见不是很明显的纹波

那么重负载的时候

我们把电阻减小到一个欧姆

输入依然是5V

现在可以看出输出电压形成明显的锯齿

这个原因是电容电压经过负载放电

一旦电池不给这个电容充电

那么负载上的电就得靠电容来

电容电压下降引起这样的锯齿

如果我们增加开关的数目和电容的数目

可以很容易地获得更多的电压输出

那么我们也可以改变排布来得到负电压

我们如图所示

我们依然是四个开关分成两组

开关1和开关2负责给飞电容 Cfly

充上左正右负的电压

充完电以后开关断开

由开关3和开关4

将飞电容上的电反向

充电电流是这个方向

反向给输出电容 C1 充电

以此 C1上得到的就是反压

这就是负压电荷泵的原理

我们看轻负载时候

10欧姆轻负载

输入电压5V

输出电压这个地方呢大概是-5V

纹波也是比较小的

那么重负载时候

同样的，跟前面倍压电荷泵一样形成锯齿

那么电荷泵电路的输出都不能接过重的负载

一般集成电荷泵电源芯片它的电流都在100mA以下

那我们前面看到

电荷泵电路的原理虽然看似很简单

但是因为它所用的开关数目很多

驱动起来非常麻烦

所以电荷泵这种拓扑结构只在集成芯片中使用

我们下面就来讲解一下集成电荷泵芯片

我们打开德州仪器的网站

我们在产品里面找到电源管理

那么在电源管理产品里面呢

我们找到电荷泵

也就是没有电感的开关电源

我们再选择反向电荷泵产品

一共15种

我们选取其中的一个系列

来进行讲解分析

TPS60400系列

其中60400呢是频率可变

60mA电荷泵

剩下几种呢都是内部的开关频率递增的

20k, 50k, 250k

就是说这一系列电荷泵产品

它们只有开关频率不一样

我们点击四种里面任何一种芯片

就可以得到

它的资料下的页面

我们可以下载它的英文说明书

同时呢，同系列的芯片型号的主要参数

也会在同一个页面里面进行比较

下面我们就针对说明书进行讲解

这是TPS60400的典型应用图

跟我们之前讲的电荷泵的反向电路中的原理图基本是一样的

那么飞电容 Cfly

取值1µF

输出电容也是1µF

当1、3闭合的时候

给飞电容充上左正右负的电

2、4闭合时候

飞电容把电荷搬运到输出电容Co上

形成下正上负的输出

那么所谓的飞电容在这里的作用

其实就是搬运工的作用

避免电源Ui直接和Uo发生联系

我们看到输出

这里输出显示是-1.6V到-5.5V

这个意思不是说它是一个可变的电压输出

而是说如果你输入电压是1.6V

那么输出就是-1.6V

输入是5.5V

输出就是-5.5V

最大电流是60mA

我们来看一下飞电容与开关频率的关系

这是不同型号所需要的飞电容电容值

这是芯片的开关频率

第一种60400它因为是可变频率

最高可以达到250kHz

所以它的飞电容也很小—1µF

和这种一样

那我们抛开它不说

剩下几种

20kHz对应的非电容是10

50k对应的是3.3

250k对应的是1

也就是说频率越高飞电容越小

这个很好理解

非电容相当于一个中转仓库

开关频率就是这个仓库的运转速度

你运行速度越快

你如果拉货

拉完以后马上就拉走

那么运转速度越快，你所需要的仓库就越小

那么看典型的电容配置

涉及到输入电容、飞电容和输出电容

在配置表我们看到了

它把这三种电容推荐值都写成一样

该1µF都是1µF

10µF都是10µF

我们节选说明书中有关电容选取的章节

我们来进行一定讲解

第一 输入滤波电容的选择

我们看这句话

电流从电源处开关处

电路的变化是两个 Io 到0之间

也就是说

我这个电荷泵往前级电源所取的电流是波动的

在0到2个 Io 之间波动

这波动很大

这波动很大

因此呢

对于前级的 supply

它需要良好的滤波

那么我们需要根据输入电源的纹波

来选择输入电容

其实就是这个输入电容越大越好

虽然我们前面看见它的推荐电容是1µF

但这个电容我们加大没关系

我们看飞电容的选择

飞电容的作用主要可以用来减小输出的阻抗

但是飞电容你增加到一定程度

它的好处呢就不那么明显

因为这个时候，增大到一定程度之后

输出阻抗就主要由内部开关电阻的阻抗和电容的 ESR 来决定

所以飞电容的选择

我们可以按照芯片说明书推荐值

比如说就用1µF或者说10µF

我们再看纹波的计算公式

这是说明书中的纹波计算公式

它就是分成两个部分

第一项是输出电流在电容上充放电引起的电压起伏

可以想象，如果是个理想电容

我用锯齿波状的电流去给电容充电

就会引起电容上电压的变化

但这个变化显然是和频率有关的

充电时间越长，纹波就会越大

和电容值肯定也有关系

你电容越大

把它充到一定电压所需要的电荷就越多

时间就越久

也就是说增大电容、增大开关频率可以减小纹波

第二个部分

就是输出电流在串联等效电阻上直接引起的压降

我们可以看到

这是电路

这是负载上所需要的电流 Io

当开关4断开以后

负载上所需要的电流

完全是由电容提供的

完全是由电容提供的

所以这个 Io 从下往上流过 ESR

那么开关闭合以后

电容上放掉的电要通过这个方向去充回来

电容上放掉的电要通过这个方向去充回来

同样大小充回来

所以在 ESR 上产生的 delta 压降是两倍的 Io 乘以 ESR

和频率没有关系

这个值很大

我们对比一下

我们刚刚学过的 BUCK 降压斩波电路

它的公式和这个不一样

因为负载上的电流 Io

并不都是由电容 C 来提供的

其中电感也提供

所以它的纹波是和频率有关的一个量，要小得多

也就说如果负载上串联了电感

将可以大大减小纹波

我们来看纹波指标，具体指标

有个列表

当输出电流5个mA的时候

按照它推荐的飞电容输出电容配置

在15到35个mV之间

我们看一眼公式

输出纹波电压和电流成正比

那么我们可以想达到额定电流60mA的时候

纹波电压将会超过100mV

这时候你就需要看用电器负载

能不能接受这么大纹波的供电

也就是说电荷泵芯片能不能使用

好这节课就到这里