使用电荷泵驱动电路-第 1 部分

当我第一次对电子产品感兴趣时，生活很简单。组件太大了，我不用显微镜就可以焊接它们。开关转换器以高达 25 kHz 的频率切换，数字电路都使用 5 V 电源电压，我遇到的所有计算机都使用 RS-232 串行接口进行通信。

RS-232 标准规定逻辑 0 由 5 V 和 25 V 之间的电压表示，逻辑 1 由 –5 V 和 –25 V 之间的电压表示。我的问题是，虽然我板上的几乎所有组件都只需要5V 电源，我仍然需要为我的 RS-232 接口生成这两个额外的轨道。

然后我遇到了 MAX232。 该设备是一个受启发的产品，它结合了两个线路驱动器、两个线路接收器以及一个正负电荷泵。由于那个坏孩子用 5 V 单电源供电，我可以生成我需要的额外电源电压并传输和接收串行数据。

电荷泵是有用的小型 DC/DC 转换器，它使用电容器而不是电感器来存储能量。电荷泵(chargepump)又称为开关电容DC-DC变换器(switchedcaPACi-torvoltageconverter)，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。它们可以在专用电荷泵器件中找到，例如 LM2775 / LM2776 器件，作为 TPS65150 等 LCD 偏置电源中的辅助轨 ，或者作为由几个二极管和几个电容器组合在一起的外部电路。

LM2775 是一款稳压开关电容倍增器，可产生低噪声输出电压。LM2775 可在 3.1V 至 5.5V 输入范围内提供高达 200mA 的输出电流，并在输入电压低至 2.7V 时提供高达 125mA 的输出电流。在低输出电流下， LM2775 可以通过在脉冲频率调制 (PFM) 模式下运行来降低其静态电流。通过将 PFM 引脚驱动为高电平或低电平，可以启用或禁用 PFM 模式。此外，当 LM2775 处于关机状态时，用户可以通过将 OUTDIS 引脚设置为高电平或低电平来选择将输出电压拉至 GND 或保持在高阻抗状态。

LM2775 采用 TI 的 8 引脚 WSON 封装，该封装具有出色的热性能，可防止部件在几乎所有额定工作条件下过热。

2.7V 至 5.5V 输入范围

固定 5V 输出

200mA 输出电流

无电感解决方案：仅需要 3 个小型
陶瓷电容器

关断将负载与 V IN断开

电流限制和热保护

2MHz 开关频率

轻负载电流期间的 PFM 操作（PFM
引脚拉高）

一般来说，电荷泵有：

· 简单，通常包含不超过两个二极管和两个电容器。

· 比 DC/DC 转换器更宽容。

· 适用于数十毫安范围内的输出电流（但不适用于远高于 250 mA 的电流）。

· 效率低于基于电感器的 DC/DC 转换器，除非它们未经调节且开环运行。

图 1 是未稳压电荷泵的简化电路图。电荷泵分两个阶段工作：

· 在充电阶段，开关 S1 和 S4 断开，开关 S2 和 S3 闭合。电流流经 S2 和 S3 并将飞跨电容器 C FLY充电至电压 V I。

· 在放电阶段，开关 S1 和 S4 闭合，开关 S2 和 S3 断开。C FLY的负端 现在在 V I  ，正端（比 V I 高）现在是 2V I。电流从 V I 流经飞跨电容器 C FLY 和开关 S1 和 S4。电荷从 C FLY转移 到输出电容器 C O以产生大约等于 2V I的输出电压。

图 1：简化的电荷泵框图（倍压器）

我们可以重新排列相同的四个组件（S1、S2、S3 和 S4）以生成大约等于 –V I的负输出电压 （参见图 2）。

图 2：简化的电荷泵框图（电压逆变器）

刚才描述的电路运行良好，但其输出电压不受调节。对于某些应用来说，这样一个简单的电路就足够了，但具有稳压输出的电荷泵更为有用。

调节电荷泵输出电压的常用方法是将可调电流源 I 1与开关 S1 或 S2 串联（在反相电荷泵的情况下）（参见图 3）。误差放大器 A1 调整 I 1的值， 直到输出电压正确。在稳态条件下，I 1 正好是 I O值的两倍。

图 3：不同的电荷泵集成度

请注意，一个简单的稳压倍压器只能在 V I 至 2V I范围内调节其输出电压。它不能产生低于 V I的输出电压。我们可以使用一些花哨的技巧来制作降压-升压型电荷泵，但这类器件比图 3 中所示的器件要复杂得多。