How to calculate the power consumption of charge pump in DC-DC conversion without inductance?
Time:2021-12-21
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系统工程中一个常见的问题是子系统，其主电源无法满足其电源需求。在这种情况下，可用的供电轨不能直接使用，也不能直接使用电池电压（如果有）。空间不足会阻止包含最佳数量的电池，否则放电电池的电压下降可能不适用于该应用。
电压转换器可以产生所需的电压电平，而电荷泵通常是要求低功耗，简单和低成本相结合的应用的最佳选择。电荷泵易于使用，因为它们不需要昂贵的电感器或其他半导体。
电荷泵–概述
电荷泵电压转换器使用陶瓷或电解电容器来存储和传输能量。尽管电容器比其他类型的DC-DC转换器中使用的线圈更普遍且更便宜，但电容器无法突然改变其电压电平。不断变化的电容器电压始终遵循指数函数，这施加了电感式电压转换器可以避免的限制。然而，感应电压转换器更昂贵。
使用此原理的常见集成电路是ICL7660，有人认为它是经典电荷泵的原型。ICL7660集成了开关和振荡器，因此开关S1，S3和S2，S4交替工作（图1）。此处显示的配置将输入电压反相。外部连接稍有变化，它也可以使输入电压加倍或分压。
闭合S1和S3会在前半个周期将飞跨电容器C1充电至V +。在下半部分，S1和S3打开，S2和S4关闭。此动作将C1的正极连接到地，并将负极连接到VOUT。C1然后与储能电容器C2并联。如果C2两端的电压小于C1两端，则电荷从C1流到C2，直到C2两端的电压达到-（V +）。
电容分压器
考虑一种设计用于将输入电压除以2并使输出电流加倍的电路。它具有优于线性稳压器（通常将功率转换为热量）的优势，并有益于需要有限输出电流的应用。例如，一个4mA至20mA的接口通常会提供相对较高的输出电压，但会提供有限的预设输出电流。其他应用包括许多运算放大器和微控制器，它们现在以非常低的电源电压工作。在这些电路中，理论上将电源电压除以2会将功耗除以4。
图2的配置使用电容性分压器C3，C4和C5，C6产生稳定的VOUT（= VIN / 2）。通过在该分压器的上半部和下半部之间交替切换飞跨电容器C2，IC可抵消任何与负载有关的电压差。该电路的开关频率为35kHz，静态电流仅为36µA。当负载电流超过1mA时，电路效率超过90％。然而，在很小的负载电流（即低于100µA）的情况下，即使如此低的36mA静态电流也会降低转换效率。与简单的电阻分压器相比，这种开关电容器配置既提供了更好的稳压性能，又比从分压器和运算放大器缓冲器的简单组合获得的效率更高。IC规范将VIN限制为最大5.5V。
图2的配置使用电容性分压器C3，C4和C5，C6产生稳定的VOUT（= VIN / 2）。通过在该分压器的上半部和下半部之间交替切换飞跨电容器C2，IC可抵消任何与负载有关的电压差。该电路的开关频率为35kHz，静态电流仅为36µA。当负载电流超过1mA时，电路效率超过90％。然而，在很小的负载电流（即低于100µA）的情况下，即使如此低的36mA静态电流也会降低转换效率。与简单的电阻分压器相比，这种开关电容器配置既提供了更好的稳压性能，又比从分压器和运算放大器缓冲器的简单组合获得的效率更高。IC规范将VIN限制为最大5.5V。
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