电荷泵电路-从低压电源获得更高的电压

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，尤其是在涉及电池的情况下。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.

这就是我们遇到的障碍——升压转换器在低功率下效率低下，因为仅仅为了保持调节点和驱动电源开关就消耗了大量的能量。此外，这种类型的开关模式转换器有噪音——如果你要处理敏感电路，这是一个问题。你处于一个过度设计的解决方案的不舒服境地。线性调节器不能反向工作，所以这被排除在设计不足的可能性之外。

 

那么，我们在过度工程和工程不足之间的界限在哪里呢？

这个问题的答案是充油泵–它本身就是一种开关模式电源。顾名思义，这种转换器移动离散电荷，存储这些离散电荷的部件是电容器，所以这种转换器也被称为飞驰电容变换器.

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，所以电容器两端的电压也是9V。然后你再拿一个电容器，把它充电到9伏。现在将两个电容器串联起来，测量它们之间的电压–18V。

这是基本原理电荷泵的操作-取两个电容器，分别充电，然后串联，尽管在实际的电荷泵中，重新排列是以电子方式完成的。

当然，这不仅限于两个电容器，连续的级可以级联以在输出上获得更高的电压。

 

进料泵的限制

在我们建造一个之前，了解电荷泵的局限性是个好主意。

1.可用输出电流–由于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，使用正确的芯片可以获得100mA的电流，但效率很低。

2.添加的级越多并不意味着电压输出增加那么多次——每个级都加载前一级的输出，因此输出不是输入的完美倍数。添加的阶段越多，这个问题就越严重。

 

构建电荷泵电路

此处显示的电路用于一种简单的三级电荷泵使用常青树555定时器IC从某种意义上说，该电路是“模块化”的——可以级联级以增加输出电压（考虑到限制数字2）。

 

所需组件

1.对于555振荡器

• 555定时器-双极型
• 10uF电解电容器（去耦）
• 2x 100nF陶瓷电容器（去耦）
• 100pF陶瓷电容器（定时）
• 1K电阻器（定时）
• 10K电阻器（定时）

2.用于充油泵

• 6x IN4148二极管（也推荐使用UF4007）
• 5x 10uF电解电容器
• 100uF电解电容器

需要注意的一件重要事情是，电荷泵中使用的所有电容器的额定电压必须比预期输出电压高几伏。

 

电路图

 

这是它在面包板上的样子：

 

充油泵电路说明

1.555定时器

这里显示的电路很简单555定时器非稳态振荡器定时分量产生大约500kHz的频率（对于双极555来说这本身就是一项壮举）。这种高频确保电荷泵上的电容器定期“刷新”，从而使输出上的电压不会有太大的纹波。

 

2.充油泵

这是整个赛道中最令人生畏的部分。像大多数其他事情一样，可以通过将其分解为一个单元来理解：

 

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，因为负极端子现在接地。当输出变高时，负极引脚也变高——但由于电容器上已经有电荷（由于二极管的原因，电荷无法到达任何地方），因此电容器正极端子处的电压有效双重的输入电压。

这是电容器的正极端子：

 

最终的结果是，您有效地添加了V的偏移<sub>科科斯群岛到555定时器的输出端。

现在，这个电压直接作为输出是无用的，因为有50%的巨大波纹。为了解决这个问题，我们添加了一个峰值检测器，如下图所示：

 

这是上述电路的输出：

 

我们成功地将电压输出提高了一倍！

 

电路构造提示

双极555因其在供电轨上产生的供电尖峰而闻名，因为输出推挽级在转换期间几乎使供电短路。所以脱钩是强制性的.

我会绕一小段路告诉你一些关于适当解耦的事情。

这是V_{科科斯群岛}没有任何去耦的振荡器引脚：

 

这是一个正确去耦的引脚：

 

你可以清楚地看到一点点脱钩所带来的不同。

电荷泵级推荐使用低电感陶瓷SMD电容器具有低正向电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的极性。

 

此电路的工作方式与倍压器–当555输出变高时，电容器充电，当输出变低时，电荷通过第二电容器反向拉动，在输出上产生负电压。

 

我在哪里使用电荷泵？

• 在只有单一电压可用的电路中，用于运算放大器的双极性电源。运算放大器不消耗太多电流，所以这是一个完美的选择。这样做的好处是，逆变器和倍频器可以从相同的输出驱动，比如说，从5V电源产生±12V电源。
• 栅极驱动器-自举是一种选择，但电荷泵有可能产生更高的电压，例如，由3.3V电源提供12V栅极驱动。在这种情况下，自举不会给你超过7伏的电压。

 

因此，电荷泵是一种简单有效的设备，用于产生输入电压的离散倍数。