電荷泵的基本原理及其特點

1.電容充放電電路及其電壓與電流波形

　　LED電荷泵驅(qū)動器也稱為開關(guān)電容變換器，其基本原理是利用（陶瓷）電容器將能量從電池傳輸?shù)讲⒙?lián)的LED陣列。

　　電容是一種存儲電荷或電能并按預先確定速度和時間放電的元件。如果用一個理想的電壓源VG對電容進行充電（圖1（a）），電容將依據(jù)Diract電流脈沖函數(shù)立即存儲電荷（見圖1（b））。電容存儲的總電荷量為：

（a）理想情況下的電容充電電路 （b）理想情況下的電容充咆電壓和電流波形

圖1 理想情況下的電容充電電路和充電電壓與電流波形

　　實際的電容都有一個等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ ESL ），兩者都不會影響電容存儲電荷的能力，但它們對開關(guān)電容電壓變換器的整體轉(zhuǎn)換效率卻有較大的影晌。實際的電容充電等效電路如圖2（a ）所示，其中Rsw是開關(guān)S的電阻。圖2（b）為實際情況下的電容充電電壓和電流波形。

（a）實際情況下的電容充電電路 （b）實際情況下的電容充電電壓和電流波形

圖2 實際情況下的電容充電電路和充電電壓與電流波形

　　2.電荷泵的基本工作原理

　　一旦電路被加電，將產(chǎn)生指數(shù)特性的瞬態(tài)條件，直到達到一個穩(wěn)態(tài)條件為止。電容的寄生效應(yīng)限制峰值充電電流，并增加電荷轉(zhuǎn)移時間。因此，電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷泵就利用了這種電容特性，如圖3（a）所示。

　　電壓轉(zhuǎn)換在兩個階段內(nèi)實現(xiàn)。在第一個階段，開關(guān)S1和S2關(guān)閉，而開關(guān)S3和S4打開，充電到輸入電壓：

　　在第二個階段，開關(guān)S3和S4關(guān)閉，而S1和S2開。困為電容兩端的電壓降不能立即改變，輸出電壓跳變到輸入電壓值的2倍：

　　使用這種方法可以實現(xiàn)電壓的倍壓。開關(guān)信號的占空比通常為50％，通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。下面讓我們更詳細地了解電荷轉(zhuǎn)換過程以及開關(guān)電容變換器寄生效應(yīng)是如何影響其工作的。

　　圖3（b） 顯示了開關(guān)電容電壓倍壓器的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。根據(jù)功率守恒的原理，平均的輸入電流是輸出電流的2倍。在第一階段，充電電流流入C1。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1 的 ESR以及開關(guān)的電阻。在C1充電后，充電電流呈指數(shù)級地降低。充電時間常數(shù)是開關(guān)周期的幾倍，更小的充電時間常數(shù)將導致峰值電流增加。在這段時間內(nèi)，輸出電容C。提供負載電流線性放電的電量，放電量為：

（a）電荷泵電路 （b）相關(guān)波形

圖3 電荷泵電路及其相關(guān)波形

　　在第二階段，C1連接到輸出端，放電電流（電流大小與前面的充電電流相同）通過C1流到負載。在這個階段，輸出電容電流的變化大約為21I。。盡管這個電流變化應(yīng)該能產(chǎn)生一個輸出電壓變化（2I?！罞SRco），而使用低ESR的陶瓷電容可使這種變化可以忽略不計。此時，C。的電壓變化量在數(shù)值上與式（1）一樣。

　　當C1連接到輸入端和地之間時，C。將線性地放電?？偟妮敵黾y波峰值電壓為：

　　更高的開關(guān)頻率可以采用更小的輸出電容來獲得相同的紋波。電荷泵的寄生效應(yīng)導致輸出電壓隨著負載電流的增加而下降。事實上，總是存在大小為2I。的RMS電流流過C1和兩個開關(guān)（2RSW），導致產(chǎn)生的功耗為：

　　除了這些純粹的電阻損耗，大小I。的RMS電流流過開關(guān)電容C1的等效電阻時，產(chǎn)生的功耗為：

　　流過C。的 RMS電流等于I。，導致產(chǎn)生的功耗為：

　　所有這些損耗可以用下面的等效輸出電阻進行匯總：

　　這樣一來，電荷泵的輸出電壓可以用下面的等式表示：

　　總之，因為陶瓷電容低的 ESR以及高的開關(guān)頻率，輸出紋波以及輸出電壓降取決于開關(guān)電阻。利用更多的開關(guān)和電容可以實現(xiàn)附加的電壓轉(zhuǎn)換，如圖4所示。在這個電路中，同樣的，電壓轉(zhuǎn)換在兩個階段內(nèi)實現(xiàn)。在第一個階段，開關(guān)S1～S3 關(guān)閉，而開關(guān)S4～S8打開。因此，C1和 C2并聯(lián)，假設(shè)C1等于C2，則充電到一半的輸入電壓為：

圖4 具有1倍和1～5倍增益的開關(guān)電容電路

　　輸出電容C。提供輸出負載電流。隨著這個電容的放電，輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，第二個階段被激活來將輸出電壓增高到期望值以上。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，連接在VIN和VO端之間。開關(guān)S4～S7關(guān)閉，而S1～S3和S8打開。因為電容兩端的電壓降并不能突變，輸出電壓跳變到輸入電壓值的1.5倍。

　　若關(guān)閉S8并保持S1～S7打開，則電壓轉(zhuǎn)換可以獲得1倍的增益。

　　采用脈沖頻率調(diào)制（PFM）方法可以實現(xiàn)電荷泵電壓調(diào)節(jié)，電路框圖如圖5所示。在圖5所示的電路中利用了多個增益。輸出電壓通過PUMP／SKIP比較器與1.2V的參考電壓進行比較，PUMP／SKIP比較器的輸出電壓在啟動時線性上升。提供軟啟動功能。當輸出電壓超過期望的電平時，器件不會開啟，消耗的電源電流非常小。在這種待機（空閑）狀態(tài)期間，輸出電容C。向負載提供輸出啦流。隨著該電容不斷放電，輸出電壓將降低到預置電平以下，此時電荷泵被激活直到出電壓再次升高到期望的電平。

圖5 電荷泵PFM電壓調(diào)節(jié)電路框圖

　　在輕載條件下，PFM 調(diào)節(jié)架構(gòu)的優(yōu)勢是明顯的。由于通常由輸出電容為負載提供電能，故電源電流非常小，輸出電容只需要偶爾通過電荷泵進行再次充電。

　　輸入電壓通過電阻分壓器加到3個比較器的同相輸入端，3個比較器的反相輸入端都連接到電壓輸出端。根據(jù)輸入電壓與輸出嵬壓之比，為比較器的輸出提供一個3bit的增益控制電路。增益控制電路用于選擇最小的增益（G），這樣就可以獲得期望的電壓轉(zhuǎn)換。

　　圖6為基于電荷泵的LED驅(qū)動器框圖。這種電荷泵內(nèi)置4個開關(guān)，驅(qū)動4個并聯(lián)的白光LED。

圖6 基于電荷泵的LED驅(qū)動器框圖

　　對于開關(guān)電容ffi LED驅(qū)動器，根據(jù)能量守恒原理，其輸入電流會隨著電壓增益G而變化。在1倍壓（1x）情況下，輸入電流與輸出電流相等；在2倍壓（2×）時，輸入電流為輸出電流的 2倍。這種拓撲結(jié)構(gòu)的效率為：

　　3、電荷泵 LED 驅(qū)動器的主要特點

　　電荷泵驅(qū)動器用來驅(qū)動若干個相并聯(lián)的LED，其最大的優(yōu)勢是無須使用電感元件，具有LED亮度一致、尺寸小、成本低、噪聲低、輻射EMI小及控制能力強等特點。但是，這種拓撲結(jié)構(gòu)的效率比咆感升壓變換器低，尤其是帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵的效率往往不足70％。另外，電荷泵不僅輸出電流受限制，而且所驅(qū)動的LED數(shù)量受封裝水平利引腳數(shù)量的限制，欲將12只以上的LED并聯(lián)應(yīng)用難度甚大。