電荷泵的輸出特性

　　電荷泵的工作過(guò)程為：首先儲(chǔ)存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。電容式電荷泵采用電容器來(lái)儲(chǔ)存能量，并通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的提升。因電荷泵工作在較高頻率下，故可使用小型陶瓷電容器（1 μF），因其占用空間最小，使用成本較低。電荷泵僅用外部電容器即可提供±2倍壓的輸出電壓。其損耗主要來(lái)自電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）和內(nèi)部開(kāi)關(guān)管的RDS-ON。電荷泵變換器不使用電感器，因此其輻射EMI可以忽略。其輸入端噪聲可用一只小型電容器濾除。它的輸出電壓是工廠(chǎng)生產(chǎn)時(shí)精密預(yù)置的，可通過(guò)后端片上的線(xiàn)性調(diào)整器調(diào)整，因此電荷泵在設(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的調(diào)整空間。

　　電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器并不穩(wěn)壓，即有負(fù)載電流時(shí)，輸出電壓將根據(jù)負(fù)載發(fā)生變化。電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器的輸出電流與輸出電壓的變化曲線(xiàn)稱(chēng)為輸出特性曲線(xiàn)，其特性是：輸出電流越大，輸出電壓變化越大。

　　通常以輸出電阻R。來(lái)表示輸出電流與輸出電壓的關(guān)系。若輸出電流從零增加到IOUT，輸出電壓變化為ΔU，則輸出電阻R。為

　　輸出電阻R。越小，輸出電壓的變化越小，輸出特性越好。電容式電荷泵十分適用于便攜式電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)，其中輸出電壓可調(diào)的電容式電荷泵是一個(gè)將電容式電荷泵和線(xiàn)性調(diào)整器集成在同一芯片內(nèi)的電源系統(tǒng)，如圖1所示。

　　圖1 電容式電荷泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　如圖2所示為開(kāi)關(guān)電容電壓調(diào)節(jié)器框圖，當(dāng)輸出電壓超過(guò)期望的極限時(shí)，器件不會(huì)開(kāi)啟，消耗的電源電流將很小。在這種空閑狀態(tài)期間，輸出電容為負(fù)載提供輸出電流。隨著這個(gè)電容不斷放電及輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，電荷泵將被激活直到輸出電壓再次高于這個(gè)值。

　　圖2 開(kāi)關(guān)電容電壓調(diào)節(jié)器框圖

　　在輕負(fù)載下，如圖2所示的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)是很明顯的。因其通過(guò)輸出電容為負(fù)載提供電能，當(dāng)電源電流非常低時(shí)，輸出電容只需要偶爾通過(guò)電荷泵進(jìn)行再次充電。

　　調(diào)壓電荷泵在一個(gè)寬的輸入范圍內(nèi)不能維持高的效率，因?yàn)檩斎耄敵鲭娏鞅仁歉鶕?jù)基本的電壓轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)節(jié)的，任何比輸入電壓乘以電荷泵增益所得的值更低的輸出電壓將導(dǎo)致變換器內(nèi)額外的功耗，并且效率會(huì)成比例地降低，參考下式的說(shuō)明。

　　電荷泵根據(jù)輸入／輸出比例改變?cè)鲆?，以在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)獲得最高的轉(zhuǎn)換效率。理想的情況是增益應(yīng)該線(xiàn)性地變化。因電荷泵的泵電容和開(kāi)關(guān)數(shù)量，故只能有限的配置增益的級(jí)數(shù)。

　　在如圖2所示的電路中，輸入電壓被調(diào)節(jié)，并被饋入到三個(gè)比較器的正向結(jié)點(diǎn)。比較器的所有反向結(jié)點(diǎn)連接到輸出電壓端。電荷泵增益控制電路根據(jù)輸入／輸出電壓比，選擇最小的增益G，這樣就可以獲得期望的電壓轉(zhuǎn)換效率。