电源小白入门学习8——电荷泵电路原理及使用注意事项
- 电荷泵简介
- 电荷泵原理
- 电荷泵设计过程中需要注意的点
- fly电容的安秒平衡
- DC/DC功率转换技术对比
电荷泵简介
电荷泵（Charge Pump）是一种电路拓扑结构，用于实现电压升压或降压的功能。它通过周期性地转移电荷来改变电压水平（过控制fly电容的接入方式，利用电容电压无法突变的原理，来改变输出电压水平），而无需使用传统的变压器。电荷泵通常由开关元件（例如晶体管）、电容元件和电压源组成
电荷泵具有以下优点：
- 简单性：相对于传统的变压器，电荷泵的设计更简单，因为它不需要使用电感元件。
- 小型化：由于电荷泵中没有电感元件，可以实现更小型化的设计。
- 成本效益：电荷泵通常比传统的变压器更经济实惠。
电荷泵原理
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1/2降压器
我们简单的分析以下原理： -
阶段1：fly电容和Cout电容串联，如果fly电容和Cout电容是一样的，则有Vfly = Vout = 1/2 Vin
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阶段2：fly电容和Cout电容并联，由于电容的电压无法突变，Vout = 1/2 Vin，实现降压
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倍压器
原理如下： -
阶段1：输入电压Vin个fly电容充电，Vfly = Vin。
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阶段2：改变如图改变电容的接入方式，由于阶段1中电容已经充电，倒是fly电容上端的电压 = Vin + Vfly = 2 * Vin = Vout，实现倍压
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反压器
原理如下： -
阶段1：输入电压Vin个fly电容充电，Vin = Vfly
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阶段2：fly电容反接到输出上，是的Vout = -Vfly = -Vin，实现反压
- 其他：通过增加更多的飞跨电容和开关，可以得到更多的电压转换比，但随之而来的成本和控制难度也会增加，往往吃力不讨好，所以我们这里不介绍。
当然以上的所有分析过程都是在电路已经进入稳态的状况下，即电容中已经充好电，电路上电有一段时间的前提。
电荷泵设计过程中需要注意的点
了解的电荷泵的基本工作原理之后，我们再来分析以下电荷泵的特点，以及需要注意的内容：
- 首当其冲的就是电荷泵的开环问题：电荷泵输出是直接和输入挂钩的，从前面的几个表达式也可以看出，输出和输入有着对应关系，且由于电容和开关上面存在损耗，输出和输入往往不会和我们推导的一样，是一个倍数关系，只会是一个大概的对应关系。所以一般会在电荷泵后面加上一个LDO来稳定输出的电压。
比如LTC3260这款芯片就是将15V的输入通过一个反压电荷泵得到-15V电压，然后将-15V通过LDO得到-12V电压
- 还有一种解决方式，就是在开环的基础上引入负反馈，使其稳定输出电压。
- 除了电荷泵的开关问题，还有一个就是电荷泵输出功率的问题：由于电荷泵的工作原理，是通过飞跨电容周期性的充放电来提供电流，所以输出上的电流一般都会很小，在10mA到200mA之间不等。那么如何解决这个问题呢？最简单除暴的方法就是增大飞跨电容的容值，使其能够有更多的电荷转移，而提高输出电流。但是这样也有限制，会导致开机的瞬态电流过大，从而造成烧毁芯片的可能。还有一个思路，就是把开关管外置，同时增加飞跨电容的数量。
fly电容的安秒平衡
对于电荷泵来说，不存在伏秒平衡，只存在安秒平衡：
采用更大的电容，可以降低峰值电流：
DC/DC功率转换技术对比
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电荷泵相比于前面的开关电路来说，最主要的区别就是没有电感，体积就会相对较小，可做升压、降压、反压等，但是只适用于小功率的场景。
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由于fly电容经常需要倒换极性，所以fly电容优选陶瓷电容，尽量不要选电解电容
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电容充放电过程中的ESR会导致损耗，所以尽量选择ESR小的电容，以提高效率
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为了提高工作温度范围，优选材质位X7R和X5R的电容，温度稳定性越好（X7R>X5R>钽电容）
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输入、输出电容越大，纹波越小，随之成本也越高
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中间的fly电容需要冲输入到负载传递能量，应选取容值大的，以承载更大的电流，但也要防止上电瞬间fly电容电压差为 0，此时瞬态电流过大，流入芯片内部的开关管而烧毁芯片，一般推荐数据手册给定的1.5 ~ 2倍之间。
注意：X7R和X5R是多层陶瓷电容器的材料分类，这些字母和数字代表了电容器的材料特性和等级。
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X7R：
- X7R是一种多层陶瓷电容器的材料分类。X表示陶瓷材料为可使用的材料类型之一，而7R表示其电容器的温度特性等级。
- X7R电容器通常具有相对较高的电容密度和稳定性。它们在温度范围内的电容值变化相对较小，通常是±15%。
- X7R电容器通常能够在工作温度范围内（通常为-55°C至+125°C）保持稳定的电容值，并且具有良好的频率响应和耐久性。
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X5R：
- X5R也是一种多层陶瓷电容器的材料分类。X表示陶瓷材料，而5R表示其电容器的温度特性等级。
- X5R电容器通常具有较高的电容密度，但其温度稳定性略低于X7R。它们的电容值随温度的变化在±15%至±20%之间。
- X5R电容器通常适用于较为温和的工作环境，其工作温度范围通常为-55°C至+85°C或-55°C至+105°C，具体取决于制造商和型号。
输出电压纹波与输出电容、开关频率等参数之间的关系：
