充电泵电路-从低压源获得更高电压

情况很简单——你有一个低电压供电轨，比如3.3V，你想给需要5V的东西供电。这是一个艰难的决定，特别是如果涉及电池。唯一明显的方法是开关模式转换器，更具体地说是升压转换器。

这是我们遇到的一个障碍-增压转换器在低功率下效率低下，因为大量的能量被消耗，只是为了保持调节点和驱动电源开关。此外，这种类型的开关模式转换器有噪声——如果你处理的是敏感电路，这是一个问题。你处于一个过度设计的解决方案的不舒服的位置。线性调节器不能反向工作，所以它被排除为设计不足。

那么我们该如何区分过度设计和不足设计呢?

这个问题的答案是电荷泵-它本身是一种开关模式的电源。顾名思义，这种变换器移动的是离散电荷，储存这些离散电荷的元件就是电容器，所以这种变换器又叫飞电容变换器。

电荷泵使用电容器产生输入电压的离散倍数。

电荷泵是如何工作的?

理解这一点的最好方法是想象以下情况。

你用9V的电池给电容器充电，所以电容器上的电压也是9V。然后你拿另一个电容器，并充电到9V。现在将两个电容器串联起来，测量它们之间的电压——18V。

这是电荷泵工作的基本原理——取两个电容器，分别给它们充电，然后把它们串联起来，尽管在真正的电荷泵中，重新排列是通过电子方式完成的。

当然，这并不局限于只有两个电容器，连续级可以级联，以获得更高的输出电压。

电荷泵的局限性

在我们建立电荷泵之前，了解电荷泵的局限性是一个好主意。

1. 可用输出电流——因为电荷泵只不过是循环充电和放电的电容器，可用电流非常低——在极少数情况下，使用合适的芯片可以获得100mA，但效率很低。

2. 您添加的级越多并不意味着输出电压增加那么多倍——每级负载前一级的输出，因此输出不是输入的完美倍数。你添加的阶段越多，这个问题就越严重。

构建电荷泵电路

这里显示的电路是一个简单的三级电荷泵，使用常绿555定时器IC。从某种意义上说，这个电路是“模块化”的-级联可以增加输出电压(考虑到限制2)。

组件的要求

1. 对于555振荡器

•555定时器-双极变体

•10uF电解电容器(去耦)

•2个100nF陶瓷电容(去耦)

•100pF陶瓷电容(定时)

•1K电阻(定时)

•10K电阻(定时)

2. 电荷泵

•6个IN4148二极管(也推荐使用UF4007)

•5个10uF电解电容器

•100uF电解电容

需要注意的一件重要的事情是，在充电泵中使用的所有电容器的额定电压必须比预期的输出电压高几伏。

线路图

这就是它在面包板上的样子：

电荷泵电路描述

1. 555定时器

这里显示的电路是一个简单的555定时器不稳定振荡器。定时元件产生的频率约为500kHz(对于双极555来说，这本身就是一项壮举)。这种高频率确保了充电泵上的电容器定期“刷新”，这样输出端的电压就不会有太多纹波。

2. 电荷泵

这是整个赛道中最令人生畏的部分。像大多数其他事物一样，它可以被分解成一个单一的单位来理解：

让我们假设555定时器的输出引脚3在启动期间为低电平。这导致电容器通过二极管充电，因为负极现在接地。当输出高时，负引脚也高-但是由于电容上已经有电荷(因为二极管不能去任何地方)，在电容的正极看到的电压实际上是输入电压的两倍。

这是电容器的正极：

最终的结果是，您有效地将VCC的偏移量添加到555计时器的输出中。

现在这个电压直接作为输出是无用的，因为有一个巨大的50%纹波。为了解决这个问题，我们增加了一个峰值检测器，如下图所示：

这是上述电路的输出：

我们成功地将输出电压提高了一倍!

电路构造技巧

双极555以其在供电轨上产生的电源尖峰而闻名，因为输出推挽级在过渡期间几乎缩短了电源。因此，脱钩是必须的。

我将快速地绕个弯路，告诉你们一些关于适当解耦的事情。

这是振荡器的VCC引脚，没有任何去耦：

这是正确解耦后的相同引脚：

你可以清楚地看到一点解耦带来的不同。

低电感陶瓷SMD电容器推荐用于电荷泵阶段。具有低正向压降的肖特基二极管也提高了性能。

使用具有适当输出级的CMOS 555(甚至可能是像TC4420这样的栅极驱动器)可以减少(但不能消除)电源尖峰。

电荷泵变化

电荷泵不仅可以增加电压，还可以用来反转电压极性。

这个电路的工作方式与电压倍频器相同——当555输出高时，帽充电，当输出低时，电荷通过第二个电容器在相反的方向上，在输出上产生负电压。

我在哪里使用充电泵?

•在只有单一电压可用的电路中，为运算放大器提供的双极性电源。运算放大器不消耗太多电流，所以这是一个完美的匹配。这样做的好处是，逆变器和倍频器可以从相同的输出驱动，例如，从5V电源产生±12V电源。

•栅极驱动器-自启动是一种选择，但电荷泵有可能产生更高的电压，例如，从3.3V电源产生12V栅极驱动器。在这种情况下，引导不会给你超过7V的电压。

因此，电荷泵是一种简单而有效的装置，用于产生输入电压的离散倍数。

本文编译自circuitdigest