斩波电路(3) - 电荷泵电路

我们这节课来讲电荷泵电路 这期我们讲了 BUCK 斩波电路 那么仅从基本原理来说 降压斩波电路并不难理解 就是说电源我让它间歇工作而已 那么在介绍升压斩波电路之前 我们先来看看电荷泵电路的原理 来获取一些设计的灵感 有这么一个脑筋急转弯的题目 我用一个5V的电池和2个电容 我去如何获得10V的电压呢 那么大多数人都可以回答出答案来 那就是 我拿两个电容串联 再拿着电池去跟每一只电容分别充电 那么两个电容加起来就可以得到10V的电压 这个就是电荷泵电路的基本原理 当然，我们不能拿手拿着电池去给电容充电 还是得用一组开关 如图所示，我们有两组时间开关来切换 电池是给 C1 充电还是给 C2 充电 时间开关的设定是这样的 我们把周期设成200ns 那么呢其中一组时间开关从0s开始开 90ns开始关 另外一种时间开关呢 我们把它设置100ns开 190ns关 那么这样它两组就互补对称 并且留出了10ns的死区时间 防止同时导通导致电池短路 我们看轻负载时的输出电压 当负载等于10欧的时候 输入是5V 输出几乎就是10V 能看见不是很明显的纹波 那么重负载的时候 我们把电阻减小到一个欧姆 输入依然是5V 现在可以看出输出电压形成明显的锯齿 这个原因是电容电压经过负载放电 一旦电池不给这个电容充电 那么负载上的电就得靠电容来 电容电压下降引起这样的锯齿 如果我们增加开关的数目和电容的数目 可以很容易地获得更多的电压输出 那么我们也可以改变排布来得到负电压 我们如图所示 我们依然是四个开关分成两组 开关1和开关2负责给飞电容 Cfly 充上左正右负的电压 充完电以后开关断开 由开关3和开关4 将飞电容上的电反向 充电电流是这个方向 反向给输出电容 C1 充电 以此 C1上得到的就是反压 这就是负压电荷泵的原理 我们看轻负载时候 10欧姆轻负载 输入电压5V 输出电压这个地方呢大概是-5V 纹波也是比较小的 那么重负载时候 同样的，跟前面倍压电荷泵一样形成锯齿 那么电荷泵电路的输出都不能接过重的负载 一般集成电荷泵电源芯片它的电流都在100mA以下 那我们前面看到 电荷泵电路的原理虽然看似很简单 但是因为它所用的开关数目很多 驱动起来非常麻烦 所以电荷泵这种拓扑结构只在集成芯片中使用 我们下面就来讲解一下集成电荷泵芯片 我们打开德州仪器的网站 我们在产品里面找到电源管理 那么在电源管理产品里面呢 我们找到电荷泵 也就是没有电感的开关电源 我们再选择反向电荷泵产品 一共15种 我们选取其中的一个系列 来进行讲解分析 TPS60400系列 其中60400呢是频率可变 60mA电荷泵 剩下几种呢都是内部的开关频率递增的 20k, 50k, 250k 就是说这一系列电荷泵产品 它们只有开关频率不一样 我们点击四种里面任何一种芯片 就可以得到 它的资料下的页面 我们可以下载它的英文说明书 同时呢，同系列的芯片型号的主要参数 也会在同一个页面里面进行比较 下面我们就针对说明书进行讲解 这是TPS60400的典型应用图 跟我们之前讲的电荷泵的反向电路中的原理图基本是一样的 那么飞电容 Cfly 取值1µF 输出电容也是1µF 当1、3闭合的时候 给飞电容充上左正右负的电 2、4闭合时候 飞电容把电荷搬运到输出电容Co上 形成下正上负的输出 那么所谓的飞电容在这里的作用 其实就是搬运工的作用 避免电源Ui直接和Uo发生联系 我们看到输出 这里输出显示是-1.6V到-5.5V 这个意思不是说它是一个可变的电压输出 而是说如果你输入电压是1.6V 那么输出就是-1.6V 输入是5.5V 输出就是-5.5V 最大电流是60mA 我们来看一下飞电容与开关频率的关系 这是不同型号所需要的飞电容电容值 这是芯片的开关频率 第一种60400它因为是可变频率 最高可以达到250kHz 所以它的飞电容也很小—1µF 和这种一样 那我们抛开它不说 剩下几种 20kHz对应的非电容是10 50k对应的是3.3 250k对应的是1 也就是说频率越高飞电容越小 这个很好理解 非电容相当于一个中转仓库 开关频率就是这个仓库的运转速度 你运行速度越快 你如果拉货 拉完以后马上就拉走 那么运转速度越快，你所需要的仓库就越小 那么看典型的电容配置 涉及到输入电容、飞电容和输出电容 在配置表我们看到了 它把这三种电容推荐值都写成一样 该1µF都是1µF 10µF都是10µF 我们节选说明书中有关电容选取的章节 我们来进行一定讲解 第一 输入滤波电容的选择 我们看这句话 电流从电源处开关处 电路的变化是两个 Io 到0之间 也就是说 我这个电荷泵往前级电源所取的电流是波动的 在0到2个 Io 之间波动 这波动很大 这波动很大 因此呢 对于前级的 supply 它需要良好的滤波 那么我们需要根据输入电源的纹波 来选择输入电容 其实就是这个输入电容越大越好 虽然我们前面看见它的推荐电容是1µF 但这个电容我们加大没关系 我们看飞电容的选择 飞电容的作用主要可以用来减小输出的阻抗 但是飞电容你增加到一定程度 它的好处呢就不那么明显 因为这个时候，增大到一定程度之后 输出阻抗就主要由内部开关电阻的阻抗和电容的 ESR 来决定 所以飞电容的选择 我们可以按照芯片说明书推荐值 比如说就用1µF或者说10µF 我们再看纹波的计算公式 这是说明书中的纹波计算公式 它就是分成两个部分 第一项是输出电流在电容上充放电引起的电压起伏 可以想象，如果是个理想电容 我用锯齿波状的电流去给电容充电 就会引起电容上电压的变化 但这个变化显然是和频率有关的 充电时间越长，纹波就会越大 和电容值肯定也有关系 你电容越大 把它充到一定电压所需要的电荷就越多 时间就越久 也就是说增大电容、增大开关频率可以减小纹波 第二个部分 就是输出电流在串联等效电阻上直接引起的压降 我们可以看到 这是电路 这是负载上所需要的电流 Io 当开关4断开以后 负载上所需要的电流 完全是由电容提供的 完全是由电容提供的 所以这个 Io 从下往上流过 ESR 那么开关闭合以后 电容上放掉的电要通过这个方向去充回来 电容上放掉的电要通过这个方向去充回来 同样大小充回来 所以在 ESR 上产生的 delta 压降是两倍的 Io 乘以 ESR 和频率没有关系 这个值很大 我们对比一下 我们刚刚学过的 BUCK 降压斩波电路 它的公式和这个不一样 因为负载上的电流 Io 并不都是由电容 C 来提供的 其中电感也提供 所以它的纹波是和频率有关的一个量，要小得多 也就说如果负载上串联了电感 将可以大大减小纹波 我们来看纹波指标，具体指标 有个列表 当输出电流5个mA的时候 按照它推荐的飞电容输出电容配置 在15到35个mV之间 我们看一眼公式 输出纹波电压和电流成正比 那么我们可以想达到额定电流60mA的时候 纹波电压将会超过100mV 这时候你就需要看用电器负载 能不能接受这么大纹波的供电 也就是说电荷泵芯片能不能使用 好这节课就到这里