電源小白入門學習8——電荷泵電路原理及使用注意事項

電荷泵簡介

電荷泵（Charge Pump）是一種電路拓撲結構，用于實現電壓升壓或降壓的功能。它通過周期性地轉移電荷來改變電壓水平（過控制fly電容的接入方式，利用電容電壓無法突變的原理，來改變輸出電壓水平），而無需使用傳統的變壓器。電荷泵通常由開關元件（例如晶體管）、電容元件和電壓源組成

電荷泵具有以下優點：

當然以上的所有分析過程都是在電路已經進入穩態的狀況下，即電容中已經充好電，電路上電有一段時間的前提。

了解的電荷泵的基本工作原理之后，我們再來分析以下電荷泵的特點，以及需要注意的內容：

首當其沖的就是電荷泵的開環問題：電荷泵輸出是直接和輸入掛鉤的，從前面的幾個表達式也可以看出，輸出和輸入有著對應關系，且由于電容和開關上面存在損耗，輸出和輸入往往不會和我們推導的一樣，是一個倍數關系，只會是一個大概的對應關系。所以一般會在電荷泵后面加上一個LDO來穩定輸出的電壓。

在這里插入圖片描述

比如LTC3260這款芯片就是將15V的輸入通過一個反壓電荷泵得到-15V電壓，然后將-15V通過LDO得到-12V電壓

還有一種解決方式，就是在開環的基礎上引入負反饋，使其穩定輸出電壓。
除了電荷泵的開關問題，還有一個就是電荷泵輸出功率的問題：由于電荷泵的工作原理，是通過飛跨電容周期性的充放電來提供電流，所以輸出上的電流一般都會很小，在10mA到200mA之間不等。那么如何解決這個問題呢？最簡單除暴的方法就是增大飛跨電容的容值，使其能夠有更多的電荷轉移，而提高輸出電流。但是這樣也有限制，會導致開機的瞬態電流過大，從而造成燒毀芯片的可能。還有一個思路，就是把開關管外置，同時增加飛跨電容的數量。

對于電荷泵來說，不存在伏秒平衡，只存在安秒平衡：
在這里插入圖片描述
采用更大的電容，可以降低峰值電流：

在這里插入圖片描述

電荷泵相比于前面的開關電路來說，最主要的區別就是沒有電感，體積就會相對較小，可做升壓、降壓、反壓等，但是只適用于小功率的場景。
由于fly電容經常需要倒換極性，所以fly電容優選陶瓷電容，盡量不要選電解電容
電容充放電過程中的ESR會導致損耗，所以盡量選擇ESR小的電容，以提高效率
為了提高工作溫度范圍，優選材質位X7R和X5R的電容，溫度穩定性越好（X7R>X5R>鉭電容）
輸入、輸出電容越大，紋波越小，隨之成本也越高
中間的fly電容需要沖輸入到負載傳遞能量，應選取容值大的，以承載更大的電流，但也要防止上電瞬間fly電容電壓差為 0，此時瞬態電流過大，流入芯片內部的開關管而燒毀芯片，一般推薦數據手冊給定的1.5 ~ 2倍之間。

注意：X7R和X5R是多層陶瓷電容器的材料分類，這些字母和數字代表了電容器的材料特性和等級。

X7R：
- X7R是一種多層陶瓷電容器的材料分類。X表示陶瓷材料為可使用的材料類型之一，而7R表示其電容器的溫度特性等級。
- X7R電容器通常具有相對較高的電容密度和穩定性。它們在溫度范圍內的電容值變化相對較小，通常是±15%。
- X7R電容器通常能夠在工作溫度范圍內（通常為-55°C至+125°C）保持穩定的電容值，并且具有良好的頻率響應和耐久性。
X5R：
- X5R也是一種多層陶瓷電容器的材料分類。X表示陶瓷材料，而5R表示其電容器的溫度特性等級。
- X5R電容器通常具有較高的電容密度，但其溫度穩定性略低于X7R。它們的電容值隨溫度的變化在±15%至±20%之間。
- X5R電容器通常適用于較為溫和的工作環境，其工作溫度范圍通常為-55°C至+85°C或-55°C至+105°C，具體取決于制造商和型號。
輸出電壓紋波與輸出電容、開關頻率等參數之間的關系：

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