使用电荷泵驱动电路-第 3 部分

我工作的产品线为 LCD 和 AMOLED 显示器开发多轨电源。此类电源通常具有一个或多个电感转换器，外加一对电荷泵以产生额外的低功率输出电压。电荷泵非常适合这些应用，因为它们相对简单且便宜。

图 1 显示了一个电荷泵，它使用升压转换器的开关节点来驱动飞电容。为避免中断升压转换器操作，最好不要过多地加载开关节点。一个好的经验法则是确保电荷泵的输出功率小于升压转换器输出功率的 10% 到 20%。

图 1：从升压转换器的开关节点驱动电荷泵

在该电路中，升压转换器的开关节点产生一个矩形驱动波形，其占空比 D 大约等于，其中 V I是升压转换器的输入电压。二极管 D1 和 D2 构成一个单刀双掷 (SPDT) 开关。

该电路的输出电压由公式 1 给出：

 (1)

其中，V F是二极管的正向电压，I O是输出电流，R O是电荷泵的输出电阻。

我在上一篇文章中描述了当飞跨电容大于某个临界值时R O如何达到最小值，图 2 再次显示。使用开关节点驱动电荷泵时的主要区别在于占空比DC/DC 转换器的周期对 R O (min) 的值有影响，只要 D 远离 0.5，该值就会增加（见图 3）。

图 2：输出阻抗与飞电容

图 3：占空比对 R O (min)的影响

出于所有实际目的，开关节点的输出阻抗接近于零。哪个好，对吧？实际上并非如此，因为极低的驱动阻抗会导致高峰值电流流入开关节点，这有时会破坏升压转换器的运行。在启动期间尤其如此，此时飞跨电容器必须在从 0V 到接近 15V 的多个周期内充电。当然，您也可以同样出色地使用开关节点来产生负输出电压（参见图 4）。

图 4：驱动反相电荷泵的升压转换器

该电路的数学运算类似于倍压器情况：

又在哪里 

有多种方法可以调节分立电荷泵的输出电压，但目前最简单的方法是让电荷泵开环运行并简单地使用线性稳压器进行后调节。使用这种方法不会影响效率——除了最复杂的电荷泵调节技术之外，其他所有技术都会烧掉未使用的功率——而且更容易稳定。图 5 所示的替代电路很有吸引力，因为您可以使用正向调节电路来控制负输出电压，但以这种方式直接调节电荷泵的输出电压通常会导致电荷泵的控制回路与升压转换器的控制回路“对抗”控制回路。解决这个问题的一种方法是确保电荷泵的交叉频率比升压转换器的低得多（例如，至少低五倍）。

图 5 – 调节反相电荷泵

本文中的示例显示了从升压转换器的开关节点运行的电荷泵，但您当然可以使用其他转换器拓扑。升压转换器中开关节点的主要优点是其幅度是恒定的。在使用降压或降压-升压转换器的开关节点时情况并非如此，其中幅度随输入电压而变化。当然，如果您使用稳压输入电压运行，则无论您使用哪种拓扑结构，都不会出现此问题。

正确的电荷泵操作依赖于永久可用的驱动信号。如果电荷泵在低输出电流下使用脉冲频率模式 (PFM) 以提高效率的转换器运行，则无法保证这一点。在 PFM 操作期间，DC/DC 转换器会突发切换；在开关脉冲之间的暂停期间，电荷泵的输出电压将衰减，因为它的输出电容器必须提供所有的输出电流。如果驱动电荷泵的 DC/DC 转换器始终在脉宽调制 (PWM) 模式下运行会更好。

类似地，如果升压转换器电感电流不连续，电荷泵的正确运行可能会受到干扰，在这种情况下，电荷泵的驱动信号就会消失。如果升压转换器的输出电流足够高，电感电流可能会保持连续。或者，如果转换器使用同步整流，则电感器电流可能会保持连续，即使在低输出电流时也是如此。（但请注意：一些同步转换器，尤其是那些针对低功率应用的同步转换器，会在电感电流为零时关闭同步整流器并进入断续导通模式 (DCM)）。

在本系列的最后一部分中，我将介绍多级电荷泵。