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無需電感器的升壓和逆變:電荷泵電源

出處:維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于:2024-12-02 16:51:51 | 418 次閱讀

  基本上有兩種選擇:線性穩(wěn)壓器或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。如今,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)效率更高。 (如果您想知道為什么我添加“一般而言”,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 DC/DC 轉(zhuǎn)換器后,您會立即開始對笨重的電路、復(fù)雜的組件選擇、嘈雜的輸出電壓等產(chǎn)生痛苦的想法。但請務(wù)必記住,典型的基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器并不是唯一的選擇。有一種完全獨立的拓?fù)淇梢蕴峁╋@著的優(yōu)勢,盡管它并不適合每種設(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)定期將電荷“泵”到電容器上。我想你可以將其與手動充氣緩慢漏氣的輪胎進(jìn)行比較。如果您打氣速度足夠快,輪胎就不會漏氣,即使輪胎正在漏氣,即使您沒有持續(xù)注入新空氣。泵入的空氣就像輸入電流,泄漏的空氣就像負(fù)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輪胎壓力并提供負(fù)載電流?! ∫虼耍紫纫私獾氖?,電荷泵穩(wěn)壓器使用開關(guān)定期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)將電容器連接到穩(wěn)壓器的輸出側(cè),以便它可以提供負(fù)載電流。另一個要記住的關(guān)鍵點是電容器的電壓不會立即改變。因此,如果將其充電至 5 V,然后使用開關(guān)更改其連接,電容器兩端的電壓 (V CAP ) 仍將是 5 V。這就是電容器可以輕松用作倍壓器的原因:

  連接到輸入時,V CAP為 5 V。連接到輸出時,V CAP(初始)為 5 V。但請注意,輸出側(cè)的下部連接連接到 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?! ∧梢允褂妙愃频募记蓙矸崔D(zhuǎn)輸入電壓:

  這里,下部輸出連接是V OUT并且上部輸出連接接地。當(dāng)輸入開關(guān)打開且輸出開關(guān)閉合時,V CAP = 5V,因此輸出必須(最初)低于地電壓 5V;換句話說,V OUT = –V IN。
  可以實現(xiàn)其他輸入到輸出關(guān)系,但這兩個關(guān)系非常簡單,此外,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一切(這種方法還具有減少噪音的額外好處)。
  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)壓器抱有不可避免的偏見,因此我的第一反應(yīng)是宣稱電荷泵穩(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、恐懼或任性而不是合理的推理時,人類會變得多么荒謬。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)將更可取。
  優(yōu)點
  一般來說,電荷泵穩(wěn)壓器比同等的基于電感器的穩(wěn)壓器更小、更簡單且更便宜。這個好處列表可能看起來不是很長,但請記住,尺寸、上市時間和成本是當(dāng)今工程領(lǐng)域的重要因素,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)壓器一樣多的輸出電流。我不確定如何準(zhǔn)確地量化這一點,但對于需要超過 50-100 mA 的負(fù)載來說,基于電感器的開關(guān)似乎是首選。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(盡管比 LDO 的效率要好)。
  噪音
  這兩種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器都比線性穩(wěn)壓器噪聲更大。但其中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)壓器往往更糟,至少在輻射噪聲方面是這樣,因為電感器更像是天線(除非它是屏蔽的,但屏蔽電感器更昂貴)。如果您有任何有關(guān)電荷泵開關(guān)與基于電感器的開關(guān)的噪聲性能的信息,請在評論中告訴我們。
  結(jié)論  我想介紹這個主題,因為我最近設(shè)計了一個 5 V 至 ±5 V 電荷泵電源電路,可以將其作為子系統(tǒng)合并到您的下一個模擬或混合信號項目中。我使用 Linear Tech/Analog Devices 的 LTC3265:

  該圖取自LTC3265數(shù)據(jù)表。
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