【电路补习笔记】9、电容式开关电源（电荷泵）

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发布时间 2023.05.09阅读数 2557 评论数 0

电荷泵型稳压器（charge pump）又称为电容式开关稳压器，开关电容式电压变换器，开关电容DC-DC变换器（switched capacitor voltage converter），在和基于电感的DC-DC开关电源相比较的时候，又称之为无感式DC-DC电源变换器，电荷泵采用电容为开关和储能元件。

分类

对比：

类型	优点	缺点	应用
LDO	设计简单，低噪声，低纹波，体积小，EMI小	只能降压，发热严重	手机等便携式设备，AD/DA transceiver供电
(电感式)开关变换器	高效，大功率，可升压，可降压	设计复杂，体积大，EMI影响大	对纹波要求不高的负载，LDO前级
电荷泵	比LDO效率高，低静态电流，比开关变换器简单，比开关变换器小（没有电感），噪声低。最低工作电压低，电压可升可降	一般只能提供中小功率	小功率供电，运放负电源等

原理

电荷泵型稳压器的基本工作原理是用电容从输入端充电，然后再将电容连接到输出端放电。根据电容连接到输出端的方式，电荷泵型稳压器可以实现倍压（电容串联）和反压（电容反接）。本节介绍几种常见的电荷泵型开关稳压器及其工作原理。

电荷泵基础

单倍电压传输电荷泵开关电源

反压型电荷泵开关电源

如何实现1/2电压转换呢？很简单，将电路倒过来用，Vout和Vin交换。充电时C和输出电容C串联，Vin对2个串联的C充电，充电完毕时每个C上有一半的Vin.放电时两个c并联，将1/2的Vin送到Vout.

   在半压电路上再稍作改变，将中间的电容C拆分为两个串联电容C1和C2，如下图所示:

从上面的分析可以看出电荷泵型的开关电源既有趣又巧妙，通过内部开关改变电容的连接方式就能实现多种电压转换功能。电荷泵型开关电源还有多种拓扑结构，这里不再一一累述。常用的几款电荷泵稳压器例如：TPS60500用于高效的降压，TPS60110低噪声升压电源，TPS60400低功耗反压等。

开关电容稳压器的细调功能

   从上节的分析可以看出，电荷泵型开关电源的输出是Vin的整数倍或者离散的小数倍，不能达到像LDO那样的任意值。如果要使电荷泵型开关电源具备这样的能力就需要在后面添加线性调整器（post regulator），在电荷泵调压的基础上线性调整器再次进行调节。由于线性调整器的存在，电荷泵开关电源就存在损耗问题。

除了这种方法外，还有一种使电荷泵开关电源精细调节输出的方法，根据前面章节的介绍，线性调整器中是使开关管工作在线性区来分压进行调节，同理，在电荷泵开关电源中加以改进，使控制电容连接的开关管工作在线性区，分压后给电容充电或者放电，也可以达到精细调整，如下图所示，充电和放电回路上有开关工作在线性区进行分压.

这种方法跟线性稳压器的原理类似，由于开关管工作在线性区，其上的分压V和流过的电流I相乘就产生损耗.
第三种方式是利用Fs改变电荷泵开关电源的等效内阻，根据前面分析，电荷泵开关电源的等效内阻为 R = ( V i n − V o u t ) / I o u t = 1 / C × F s 。R随着Fs的增大而减小，所以调节Fs可以调节等效内阻上的分压，进而实现对Vout的细调。这个方法原理上是用PFM（脉频调制）来实现电容C的充电放电控制。这种方法中开关管仍然工作在开关状态，损耗比线性区少，但是代价是输出纹波较大并且开关损耗增大。

电荷泵的电压增益调节

从上节可以了解到电荷泵开关电源为了实现细调功能会引入较多的损耗，从而导致效率降低。为了改善这个情况，电荷泵开关电源可以使用电压增益调节功能。在分析这个功能的原理前，先介绍几个定义。
电压增益是指不使用细调功能时 Vout 和 Vin 的比值 Gain=Vout/Vin，例如 Vout=Vin 则电压增益为1， Vout=1/2Vin 则电压增益为0.5（不使用细调功能，电容仅靠改变连接关系实现倍压和分压）. 电荷泵开关电源效率：输出功率/输入功率
不考虑损耗时电源能量守恒：Vin×Iin=Vout×Iout（电流为平均电流）
根据电压增益 Gain=Vout/Vin得到 in=Vout/Vin×Iout=Gain×Iout.
考虑到电源自身消耗的能量，输入电流为 Iin+Iq
输入功率为： Vin∗(Iin+Iq)=Vin×(Iout×Gain)+Vin×Iq
代入效率公式可以得到

上图是效率随增益调节后的变化曲线图.X轴是Vin.Y轴是效率。图中有两条曲线，实心黑色曲线是 Iout=10mA时，虚线是 Iout=120mA时. EIDEAL箭头所指的三条曲线（图中三条双曲线形状）分别是 Gain等于 1 ， 2/3和 1/2时，效率随 Vin变化的理论曲线。可以看到随着 Vin增大，在 Vin=3V时将 n Gain调整到 2/3，效率从60%提高到90%，在 Vin=4V左右时，将Gain调整到 1/2，效率从70%增加到85%以上。可以明显的看到 Gain在改善效率中发挥的作用.

TPS6050X系列的电荷泵稳压器正是利用了这个原理实现效率的提高，上图是TPS60503的效率随输入变化的曲线，可以看到可以远远高出图中LDO的效率。下图是TPS6050X的内部框图，使用了开关阵列来调节电容的连接方法从而实现 Gain的调节。并且集成了误差放大器，用于调节开关的导通阻抗，实现细调功能。

前面提到的在电荷泵开关电源后加LDO实现细调，这个电流结构中如果加入Gain调整作用相当于减小了LDO的输入电压，使LDO两端的压差降低，所以提高了效率。

输出电容（Co）

增加输出电容的尺寸可以降低输出纹波电压。减小其ESR可以同时减小输出电阻和纹波。如果能容忍较高的输出纹波，较小的电容值可以用于较轻的负载。用下面的公式计算纹波的峰峰值。

优点

通过上面的分析，电荷泵开关电源的效率介于LDO和电感开关电源之间，能提供较高的效率和较小的PCB占用面积。应用在整数倍压和反压时特别合适。总结为以下几条指导建议：电荷泵开关电源的几个优点

提供比LDO高的效率
比电感型开关电源更节省PCB面积。
比电感型开关电源的辐射小
成本比电感型开关电源低

设计中需要注意的地方

由于外部电容在切换中经常要倒换极性，所以尽量不要使用电解电容，优选陶瓷电容
电容充放电中ESR会导致损耗，优选ESR低的电容
为了提高工作温度范围，优选X7R和X5R
电容输出、输入电容越大，输出、输入电压波动越小
中间的电容负载从输入传递能量给输出，所以容量越大提供电流能力越强。

电容式开关稳压器和电感型开关

稳压器通过电感来储能不同，电容型开关稳压器通过电容来储存能量，因此其输出功率普遍偏小，但其结构简单，通常是内置开关元件，只需外部加入电容即可工作。（如图所示，增加了稳压电路）

电荷泵产品可构成升压，降压和反向型电路，其最重要的应用还是升压，以满足手持式低功耗设备中比电池电压更高的电源需求。现代的电荷泵产品除了提供固定升压倍数的电压输出外，还可以提供小数倍的电压倍数和稳压输出的电源电压：比如，简单的倍压型的充电泵的简化内部电路如下：

其工作原理：

在第一个阶段，开关S1和S4闭合，CFLY被充电到VIN；在第二个阶段VIN和CFLY上的电压VIN串联后给负载供电，即负载上出现两倍的VIN电压。
倍压型的充电泵过于死板，产生的电压过于固定，于是有小数型的倍压数的充电泵产品诞生，其简化内部电路如下：

与简单倍压型的充电泵不同，这里有两个外部电容，内部的开关也从单一的通断变成了单刀双掷，通过这两个外部电容的充放电与开关控制串并联的组合，可以产生多种输出电压的组合，这里以1.5倍输出电压为例简述其工作原理：

在第一个阶段，通过开关的选通，使得VIN给CFLY1和CFLY2同时充电，由于CFLY1和CFLY2串联，所以其上各分得0.5倍的VIN：在第二个阶段，开关重新组合，使得VIN和并联的CFLY2和CFLY1上的0.5VIN一起给负载供电，即1.5VIN出现在负载上。
显然，即使是小数型倍压的充电泵也不是那么的方便，比如电池电压从3V一直下降，我们很难让输出保持在5V上，这时，从倍压型或小数型的充电泵上又出现一些变形，即在倍压型或小数型充电泵中加入反馈和稳压模块，如下图所示，是在一个倍压电路中加入稳压电路：

稳压型充电泵可以在变化输入的电压下提供恒定的输出，所以非常适合在电池供电的场合中应用，但由于其稳压的动作，效率降低，比如在2倍压的电荷泵的基础上做稳压电荷泵，其效率为 VOUT/2VIN
TI的大多数充电泵产品都是稳压型的充电泵，TPS60xxx是充电泵类的产品:

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减小纹波

为了减少输出电压纹波，可以后置一个RC低通滤波器。
一个输出滤波器可以很容易地由一个电阻(Rp)和一个电容(Cp)组成。截止频率由:
The equation refers only to the relation between output and input of the ac ripple voltages of the filter.