無需電感器的升壓和反相：電荷泵電源

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(biāo)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(dāng)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(dāng)連接到輸入時，V CAP為 5 V。當(dāng)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(dāng)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(xí)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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)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。