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电荷泵

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电荷泵倍压器的电路
电荷泵倍压器的电路
有二极管的迪克森电荷泵
有二极管的迪克森电荷泵
有MOSFET的迪克森电荷泵
有MOSFET的迪克森电荷泵

电荷泵(charge pump)是一种直流-直流转换器,利用电容器为储能元件,多半用来产生比输入电压大的输出电压,或是产生负的输出电压。电荷泵电路的电效率英语Electrical efficiency很高,约为90-95%,而电路也相当的简单。

叙述

电荷泵利用一些开关元件来控制连接到电容器的电压。例如,可以配合二阶段的循环,用较低的输入电压产生较高的脉冲电压输出。在循环的第一阶段,电容器连接到电源端,因此充电到和电源相同的电压,在第一阶段会调整电路组态,使电容和电源电压串联。若不考虑漏电流的效应,也假设没有负载,其输出电压会是输入电压的两倍(原始的电源电压加上电容器两端的电压)。较高输出电压的脉冲特性可以用输出的滤波电容器来滤波。

以右图为例,电荷泵的电容CP先由电源充电,之后电容CP和电源串联,和输出电容CO充电,因此CO最后会充到电源的二倍。可能需要几个周期才能将CO充饱,但若到达稳态,CP只需要提供很少的电荷,相当于CO提供给负载需要的电荷。当CO切离电容CP时,CO会对负压放电,因此输出电压会有涟波,若时脉较快,充电时间较短,涟波也会变小,也比较容易滤除。而且对应相同的链波规格,可以选用较小的电容器。

会有其他的电路来控制开关的定期切换,一般切换频率会是数十kHz到数MHz,切换频率高可以减少所需的电容器,让较短时间内需要储存的电荷也比较小。电荷泵中用的电容器一般会称为飞电容(flying capacitor)。

另一种思考的方式是将电荷泵视为是多倍压器英语Voltage multiplier及直流-交流转换器(开关)的组合。

电荷泵的输出电压会和负载有关,若负载越大,其平均电压也会越低。

电荷泵依控制方式及电路架构的不同,可以进行倍压、三倍压、电压反相、电压乘以一分数(例如×3/2, ×4/3, ×2/3等),也可以在不同模式中快速切换,产生任意大小的电压。

在锁相环中的电荷泵

“电荷泵”一词也有用在锁相环(PLL)电路中,不过作用不同。锁相环中的电荷泵只是双极性的切换式电流源,因此可以输出正负交换的电流脉冲给锁相环的滤波电路,但其电压只能在电源和地点之间,无法产生超过电源或低于地点的电压。

应用

  • 电荷泵常见的应用是RS-232信号转换IC,可以从单一的5V或3V电源供应器产生正负电压(多半是+10V及-10V)。
  • 电荷泵也可以用在LCD或是白光LED的驱动电路,从单一电源(例如电池)产生高偏压的电压。
  • 电荷泵广泛应用在NMOS的内存及微处理器中,用来产生连接到IC基层(Substrate)的负电压VBB(约-3V)。这可以确保N+至基层的结点(junction)都有3V甚至更高的逆向偏压,可以降低结点电容,并且提升电路的速度[1]
  • 以往在任天堂系统中,一些和任天堂相容,但没有经由任天堂授权的游戏卡匣,会用电荷泵产生电压突波英语Voltage spike来错乱任天堂系统锁定芯片英语CIC (Nintendo)[2]
  • 到2007年为止,几乎所有的EEPROM快闪存储器(flash memory)都已整合了电荷泵电路。这类的芯片在记忆单元写入新的值前,需要用高电压的脉冲先清除该区块已有的资料。早期的EEPROM及快闪存储器需要二种电源:用来读取资料的+5V以及用来清除资料的+12V。截至2007年 (2007-Missing required parameter 1=month!),市面上可购得的EEPROM及快闪存储器都只需要一组电源,多半是1.8V或3.3V。而清除记忆区块需要的高电压则由芯片中的电荷泵自行产生。
  • 在由n通道的功率MOSFET英语power MOSFET绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成的H桥电路中,电荷泵也用在H桥high side功率元件的栅极驱动器上。当H桥其中一只中心点为低电压时,会经由二极管向电容器充电,之后充电的电荷会来让high side的栅极比电源电压高一些,好让功率元件导通。假设H桥正常切换的情形下,上述的作法可以正常工作,免去了另一个独立的电源供应器,也让开关可以使用效率更好的n通道元件。这种电路(需要周期切换high side功率元件)也称为bootstrap电路,有时也和电荷泵电路会有些差异。

参考资料

  1. ^ Jenne, F. "Substrate Bias Circuit", US Patent 3794862A, Feb 26, 1974.
  2. ^ Kevin Horton. Colordreams Revision C. Last modified 2007-09-30. Accessed 2011-09-15.

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