假设你拥有一个3.3伏的低电压源,而你需要一个5V的电压源。如果电路中有电池的话就比较麻烦。最明显的方法当然是使用开关模式转换器,比如升压斩波电路。
但这是我们会遇上一个障碍,升压斩波电路在低功率下效率很低,因为大部分能量都用来驱动电源开关了。同时,这样的开关模式转换器噪声特性很差,敏感电路中会遇到各种各样的问题,线性稳压器也无法反向使用。
问题的解决办法就是电荷泵,它勉强可以算作开关模式电源。正如名字所示,该转换器会移动分离的电荷,同时电容会存储这些分离的电荷,我们也叫这样的转换器为“飞跨电容转换器”。
电荷泵会使用电容来创造输出电压的倍数级电压。
1.电荷泵的工作原理
最简单的理解办法就是假设以下情景。
你用一个9V的电池为一个电容充电,所以电容两端的电压必然也是9V。再拿另一个电容同样充到9V。然后再将两个电容串联记起来,测量两端的电压,得到18V。
2.电荷泵的限制
在我们打造一个电荷泵电路之前,我们还需要知道电荷泵的限制。
(1)输出电流——既然电流泵是反复充电放电的电容,那么它的可用电流非常低,运用合理的芯片也许可以达到100mA,但效率也很低。
(2)你加入的层级越多,并不代表着电压输出也一并增加多次,每一级对应的是上一级的输出,所以总输出并不是简单的输入相乘。而且加入的层级越多,问题越严重。
3.打造一个电荷泵电路
我们这里要打造一个简单的三级电荷泵,并运用555定时器来实现。
所需电子元器件
(1)555振荡器
555定时器-双极型
10uF电解电容-去耦
100nF陶瓷电容 x 2-去耦
100pF陶瓷电容
1kΩ电阻
10kΩ电阻
(2)电荷泵
1N4148二极管 x 6(也可以使用UF4007)
10uF电解电容 x 5
100uF电解电容
需要注意的是电荷泵中的所有电容额定电压都要高于设定的输出电压。
4.电路图
5.电荷泵电路详解
(1)555定时器
下图电路是一个典型的555定时器无稳态振荡器。其中控制时间的元件会让频率维持在500kHz左右。高频率是为了确保电荷泵上的电容会周期刷新,这样输出电压不会有太多的纹波。
(2)电荷泵
这是电路中最重要的部分,我们也可以将其分为一个个单位来看。
单级电荷泵
假设555定时器的输出引脚,引脚3在启动时为低电平。那么因为负极接地的原因,电容通过二极管来充电。当输出为高时,负极也会变高。但考虑到电容中已经有电荷了(而且因为二极管的原因无法转移)所以电容正极的电压变为输入电压的两倍。
以下是该电路中电容正极的电压。
最终结果就是你有效地将Vcc的偏置加到了555定时器的输出上。
这样直接得出的电压输出是没有用的,因为其中有50%的巨大电压纹波。为了解决这个问题,我们可以如下图所示加入一个峰值检波器。
以上电路的电压输出如下。
我们成功地加倍了电压输出!
6.搭建该电路的小提示
双极555在电源上会造成一定的突增, 所以必须要去耦。
以下是振荡器未去耦时Vcc引脚的电压:
以下是去耦后同样引脚的电压:
由此可以看出去耦的差异。
电荷泵的每一级建议使用低电感的陶瓷SMD电容。正向压降较低的肖特基二极管也可以提高电荷泵的性能。
使用CMOS 555(或是TC4420这样的栅极驱动)可以减小(但不能去除)电源的尖峰。
7.电荷泵的变式
电荷泵不仅可以增加电压,它们也可以用来扭转电压极性。
该电路与倍压电路的功效一样,当555输出变高时,会给电容充电,当输出为低时,电荷穿过第二个电容以相反的方向流出,从而形成了相反的电压。
8.电荷泵的用途?
仅有单个电压的电路中用于运算放大器的双极性电源。运算放大器不会消耗太多电流,因此非常适合。这样做的好处是,可以从同一输出驱动一个反相器和一个倍频器,例如从5V电源产生±12V电源。
栅极驱动器–可以采用自举,但电荷泵能产生更高的电压,例如,由3.3V电源提供12V栅极驱动。而自举产生的电压则不会超过7V。