【導(dǎo)讀】無電感器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器被稱為“電荷泵”穩(wěn)壓器,因為它們使用開關(guān)周期性地將電荷“泵”到電容器上。我想您可以將其比作手動給輪胎充氣,輪胎會慢慢漏氣。如果你打氣的速度足夠快,輪胎就不會漏氣,即使它正在漏氣,即使你沒有持續(xù)注入新的空氣。泵送的空氣就像輸入電流,泄漏的空氣就像負載電流,我猜輪胎壓力有點像電壓。通過充分的泵送(記住泵送 =定期注入空氣),您可以無限期地保持高胎壓和提供負載電流。
設(shè)計低壓電子設(shè)備的首要步驟之一是決定使用哪種類型的電源?;旧嫌袃煞N選擇:線性穩(wěn)壓器或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在我們經(jīng)常選擇 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,因為開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)通常比線性調(diào)節(jié)更有效。(如果您想知道我為什么添加“一般”,請查看本文中標題為“效率問題”的部分。)
如果您像我一樣,在決定需要一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器后,您會立即開始對龐大的電路、復(fù)雜的元件選擇、嘈雜的輸出電壓等產(chǎn)生苦澀的想法。不過,重要的是要記住,典型的基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器并不是的選擇。有一個完全獨立的拓撲可以提供顯著的好處,盡管它肯定不適合所有設(shè)計。
電感輸出,電容輸入
無電感器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器被稱為“電荷泵”穩(wěn)壓器,因為它們使用開關(guān)周期性地將電荷“泵”到電容器上。我想您可以將其比作手動給輪胎充氣,輪胎會慢慢漏氣。如果你打氣的速度足夠快,輪胎就不會漏氣,即使它正在漏氣,即使你沒有持續(xù)注入新的空氣。泵送的空氣就像輸入電流,泄漏的空氣就像負載電流,我猜輪胎壓力有點像電壓。通過充分的泵送(記住泵送 =定期注入空氣),您可以無限期地保持高胎壓和提供負載電流。
因此,首先要了解的是,電荷泵穩(wěn)壓器使用開關(guān)周期性地將電流從輸入電源注入電容器。當輸入開關(guān)打開時,第二組開關(guān)將電容器連接到調(diào)節(jié)器的輸出側(cè),以便它可以提供負載電流。另一個要記住的關(guān)鍵點是電容器的電壓不會瞬間改變。因此,如果您將其充電至 5 V,然后使用開關(guān)改變其連接,電容器兩端的電壓 (V CAP ) 仍將為 5 V。這就是電容器可以輕松用作倍壓器的原因:
當連接到輸入時,V CAP為 5 V。當連接到輸出時,V CAP(初)為 5 V。但請注意,輸出側(cè)較低的連接連接到 V IN,而不是接地。這意味著 V OUT必須比V IN高5 V ;換句話說,V OUT = 2V IN。
您可以使用類似的技巧來反轉(zhuǎn)輸入電壓:
此處,下方輸出連接為 V OUT,上方輸出連接接地。當輸入開關(guān)打開且輸出開關(guān)閉合時,V CAP = 5 V,因此輸出必須(初)低于地電壓 5 V;換言之,V OUT = –V IN。
可以實現(xiàn)其他輸入到輸出關(guān)系,但這兩個非常簡單,而且如果您從電荷泵穩(wěn)壓器開始,然后使用線性穩(wěn)壓器微調(diào)輸出,它們可能就是您所需要的全部(這種方法還有降低噪聲的額外好處)。
優(yōu)點和缺點
如果您有閱讀我的文章的習慣,您可能會知道我對基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器有著不可阻擋的偏見,因此我的直覺是宣布電荷泵穩(wěn)壓器普遍優(yōu)越。然而,這完美地證明了當我們的結(jié)論基于偏見、恐懼或反復(fù)無常而不是合理的推理時,人類是多么荒謬。電荷泵方法在某些應(yīng)用中很有用,但在許多(或大多數(shù)?)情況下,基于電感器的開關(guān)更可取。
優(yōu)點
一般來說,電荷泵穩(wěn)壓器比等效的基于電感器的穩(wěn)壓器更小、更簡單且更便宜。這份好處清單可能看起來不是很長,但請記住,規(guī)模、上市時間和成本是當今工程界的重要因素,有時甚至是至關(guān)重要的因素。
缺點
電荷泵穩(wěn)壓器無法提供與基于電感器的穩(wěn)壓器一樣大的輸出電流。我不確定如何準確地對此進行量化,但對于需要超過 50–100 mA 電流的負載,基于電感器的開關(guān)似乎是。此外,在某些應(yīng)用中(尤其是那些需要高輸出電流的應(yīng)用),電荷泵穩(wěn)壓器的效率將低于基于等效電感器的電路的效率(盡管優(yōu)于 LDO)。
噪音
兩種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器都比線性穩(wěn)壓器噪聲大。但是一個比另一個更好嗎?我的猜測是這個問題沒有明確的答案,僅僅是因為影響噪音的其他因素太多了。然而,我有一種感覺,基于電感器的穩(wěn)壓器往往更差,至少在輻射噪聲方面是這樣,因為電感器更像是天線(除非它被屏蔽,但屏蔽電感器更昂貴)。如果您有關(guān)于電荷泵開關(guān)器與基于電感器的開關(guān)器的噪聲性能的任何信息,請在評論中告訴我們。
結(jié)論
我想介紹這個主題,因為我近設(shè)計了一個 5 V 至 ±5 V 電荷泵電源電路,它可以作為子系統(tǒng)合并到您的下一個模擬或混合信號項目中。我使用了 Linear Tech/Analog Devices 的 LTC3265:
圖表取自LTC3265數(shù)據(jù)表。
我們將在以后的文章中查看原理圖和 PCB,我還將提供性能評估,以便您了解此類電路的功能。
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