如何利用电荷泵技术实现电压转换

摘要

本文围绕电源管理技巧，介绍一种生成中间总线电压的替代方法，即采用大功率电荷泵取代降压型稳压器。相较于基于电感器的降压调节方式，使用电荷泵可实现更高的转换效率。本文重点阐述运用电荷泵技术进行电压转换的诸多益处。

引言

在传统的电源系统中，降压型稳压器通常用于将较高电压转换为较低电压。然而，当需要未经调节的中间电压轨时，电荷泵这一种替代技术可派上用场。它无需电感器元件，不仅能实现更高的转换效率，还能节省成本。

利用电荷泵生成中间电压轨

中间电压轨在电源架构中扮演着关键角色。它使得额定电压较低的电源转换器IC得以应用，并且能让降压稳压器实现更高效的电压转换阶段。与直接从非常高的电源电压进行电压转换相比，降压稳压器在这种情况下能够以更有利的占空比运行。图1展示了一个12 V电源电压的电源架构，其中生成了一个6 V的中间电压。鉴于中间电压轨并不直接为系统所用，因此无需进行稳压调节。相反，各自的第二级电源转换阶段会利用负载点降压稳压器，将中间电压轨的电压转换为系统所需的电源电压。

图1.在12 V系统中使用6 V的中间电压。

为了生成中间总线电压，可采用配备电感器的降压式开关模式稳压器（降压型稳压器），其转换效率可达约为90%。电荷泵技术则提供了一种高效的替代方案。

LTC7825电荷泵转换器实现了出色的效率。在从12 V转换为6 V的过程中，当负载电流为5 A(30 W)时，其效率达到97.5%；当负载电流为10 A(60 W)时，其效率接近96%。

之所以能够达到如此高的效率，得益于集成电荷泵开关所用的精密控制系统。这种设计方案还实现了出色的电磁兼容性(EMC)。

图2.使用电荷泵生成中间总线电压的简化电路图。

图2展示了电荷泵电路的简化电路图。该电路的运行无需依赖控制环路。其输出电压稳定在6V，与12V的输入电压紧密相关，且始终维持在输入电压的一半。这种无控制环路、自由运行的电压转换技术，不仅实现了极高的效率，还具备低EMC特性。此外，该电路还具备一个显著优势，即无需使用电感器。要知道，在高负载电流情况下，电感器不仅体积庞大，而且成本高昂。

图3是在ADI公司的仿真程序LTspice®中搭建的采用LTC7825的电荷泵电路。这款出色的软件工具能够对电荷泵拓扑结构进行精准仿真，帮助使用者深入洞悉这类电路的特性与局限之处。

图3.使用LTspice对LTC7825电路进行研究。

尽管电荷泵在传统应用中主要用于低功率场景，但借助LTC7825这样的新型器件，电荷泵能够适用于更高功率的工作环境，功率上限可达100 W。而当面临更高的功率需求时，LTC7820可以作为一款配备外部开关的控制器投入使用。

结论

如果电压转换无需精确稳压且输出电压应为现有电源电压的一半，电荷泵电路不仅可以提供更高的效率和出色的电磁兼容性，还能省去对电感器的需求。