【电路补习笔记】9、电容式开关电源(电荷泵) |
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分类原理电荷泵基础开关电容稳压器的细调功能电荷泵的电压增益调节输出电容(Co)优点电容式开关稳压器减小纹波
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老师的主页:唐老师讲电赛 视频地址: 电源大师3——电容式开关电源(电荷泵)工作原理、数据手册、PCB设计。 电荷泵型稳压器(charge pump)又称为电容式开关稳压器,开关电容式电压变换器,开关电容DC-DC变换器(switched capacitor voltage converter),在和基于电感的DC-DC开关电源相比较的时候,又称之为无感式DC-DC电源变换器,电荷泵采用电容为开关和储能元件。 分类
电荷泵型稳压器的基本工作原理是用电容从输入端充电,然后再将电容连接到输出端放电。根据电容连接到输出端的方式,电荷泵型稳压器可以实现倍压(电容串联)和反压(电容反接)。本节介绍几种常见的电荷泵型开关稳压器及其工作原理。 电荷泵基础 先看一下最简单的单倍电压传输和反压。单倍电压传输是电容性开关电源最简单的模型,如下图,有4个开关控制电容的充电和放电。充电周期S1和S3闭合,S2和S4断开;放电周期S2和S4闭合,S1和S3断开。根据电容的物理公式:
q
=
C
×
U
q=C×U
q=C×U,可以得到在充电周期内电容获得的电荷
q
1
=
C
×
V
i
n
q1=C×Vin
q1=C×Vin。放电周期内电容释放电荷,为外部电路提供能量,电容电压等于
V
o
u
t
Vout
Vout时,放电周期结束,电容上剩余电荷:
q
2
=
C
×
V
o
u
t
q2=C×Vout
q2=C×Vout,根据电荷守恒可以得到传输的电荷:
q
1
−
q
2
=
C
×
(
V
i
n
−
V
o
u
t
)
q1-q2=C×(Vin-Vout)
q1−q2=C×(Vin−Vout)。 从上节的分析可以看出,电荷泵型开关电源的输出是Vin的整数倍或者离散的小数倍,不能达到像LDO那样的任意值。如果要使电荷泵型开关电源具备这样的能力就需要在后面添加线性调整器(post regulator),在电荷泵调压的基础上线性调整器再次进行调节。由于线性调整器的存在,电荷泵开关电源就存在损耗问题。 从上节可以了解到电荷泵开关电源为了实现细调功能会引入较多的损耗,从而导致效率降低。为了改善这个情况,电荷泵开关电源可以使用电压增益调节功能。在分析这个功能的原理前,先介绍几个定义。 电压增益是指不使用细调功能时 V o u t Vout Vout和 V i n Vin Vin的比值 G a i n = V o u t / V i n Gain= Vout/Vin Gain=Vout/Vin,例如 V o u t = V i n Vout=Vin Vout=Vin则电压增益为1, V o u t = 1 / 2 V i n Vout=1/2Vin Vout=1/2Vin则电压增益为0.5(不使用细调功能,电容仅靠改变连接关系实现倍压和分压). 电荷泵开关电源效率:输出功率/输入功率 不考虑损耗时电源能量守恒: V i n × I i n = V o u t × I o u t Vin×Iin = Vout×Iout Vin×Iin=Vout×Iout(电流为平均电流) 根据电压增益 G a i n = V o u t / V i n Gain= Vout/Vin Gain=Vout/Vin得到 I i n = V o u t / V i n × I o u t = G a i n × I o u t Iin= Vout/Vin×Iout = Gain×Iout Iin=Vout/Vin×Iout=Gain×Iout. 考虑到电源自身消耗的能量,输入电流为 I i n + I q Iin+Iq Iin+Iq 输入功率为: V i n ∗ ( I i n + I q ) = V i n × ( I o u t × G a i n ) + V i n × I q Vin*(Iin+Iq)=Vin×(Iout×Gain)+Vin×Iq Vin∗(Iin+Iq)=Vin×(Iout×Gain)+Vin×Iq 代入效率公式可以得到 E f f = V o u t I o u t V i n ( I o u t G a i n ) + V i n I q E_{ff}=\frac{V_{out}I_{out}}{V_{in}(I_{out}Gain)+V_{in}I_q} Eff=Vin(IoutGain)+VinIqVoutIout 这个公式中可以看到当
V
o
u
t
,
I
o
u
t
Vout,Iout
Vout,Iout和
G
a
i
n
Gain
Gain不变时,
V
i
n
Vin
Vin越高效率越低。要改变这一状况就要使
G
a
i
n
Gain
Gain能跟随
V
i
n
Vin
Vin进行调节,
V
i
n
Vin
Vin变高时
G
a
i
n
Gain
Gain调小,由于
I
q
Iq
Iq较小,可以显著减小分母变大的趋势。效率得到提高。下面举例看一下增益调节带来的作用 增加输出电容的尺寸可以降低输出纹波电压。减小其ESR可以同时减小输出电阻和纹波。如果能容忍较高的输出纹波,较小的电容值可以用于较轻的负载。用下面的公式计算纹波的峰峰值。
V
O
(
r
i
p
p
l
e
)
=
I
O
f
o
s
c
×
C
O
+
2
I
O
×
E
S
R
C
o
V_{O(ripple)}=\frac{I_O}{f_{osc}×C_O}+2I_O×ESR_{Co}
VO(ripple)=fosc×COIO+2IO×ESRCo 关于ESR:MLCC < 钽电容 < 固态电容 < 高频低阻电解电容 < 电解电容 电容的电容量越大越好,电容的ESR越小越好,MLCC(X7R > X5R > 钽电容)但是要防止在上电瞬间烧切换开关,上电瞬间电容两端电压为0,开始充电,瞬态电流过大可能会烧开关即烧芯片。一般取推荐值的1.5~2倍。 通过上面的分析,电荷泵开关电源的效率介于LDO和电感开关电源之间,能提供较高的效率和较小的PCB占用面积。应用在整数倍压和反压时特别合适。总结为以下几条指导建议:电荷泵开关电源的几个优点 提供比LDO高的效率 比电感型开关电源更节省PCB面积。 比电感型开关电源的辐射小 成本比电感型开关电源低 设计中需要注意的地方 由于外部电容在切换中经常要倒换极性,所以尽量不要使用电解电容,优选陶瓷电容 电容充放电中ESR会导致损耗,优选ESR低的电容 为了提高工作温度范围,优选X7R和X5R 电容输出、输入电容越大,输出、输入电压波动越小 中间的电容负载从输入传递能量给输出,所以容量越大提供电流能力越强。 电容式开关稳压器 和电感型开关稳压器通过电感来储能不同,电容型开关稳压器通过电容来储存能量,因此其输出功率普遍偏小,但其结构简单,通常是内置开关元件,只需外部加入电容即可工作。(如图所示,增加了稳压电路)
(1)建议值;可能需要根据具体应用进行调整。 (2)单电源应用由于运算放大器输出摆幅限制而在接近接地时丢失少量的ADC计数。如果提供负电源,这个简单电路可以产生-0.3V电源,使输出摆动到真正的接地电位。BAS40就是一个普通的肖特基二极管,BAS40导通以后管压降0.3V,刚好给运放提供-0.3V的负电压,非常巧妙。 MAX232产生负压 |
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