【導(dǎo)讀】電荷泵（Charge Pump）是“開(kāi)關(guān)電容技術(shù)”眾多應(yīng)用中的一種。利用開(kāi)關(guān)電容充放電不同的連接方式，以非常簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)DC/DC的升壓、降壓、負(fù)壓等變換器功能。
電荷泵（Charge Pump）是“開(kāi)關(guān)電容技術(shù)”眾多應(yīng)用中的一種。利用開(kāi)關(guān)電容充放電不同的連接方式，以非常簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)DC/DC的升壓、降壓、負(fù)壓等變換器功能。
如圖，這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的電荷泵電源，用來(lái)實(shí)現(xiàn)1/2降壓的功能。
與基于電感的開(kāi)關(guān)電源變換器相比，電荷泵尺寸小，沒(méi)有電感器和變壓器所帶的磁場(chǎng)和EMI干擾；而且，尤其是在集成電路中，與電感、變壓器相比，電容更容易與芯片集成，所以電荷泵被廣泛應(yīng)用。
然而，傳統(tǒng)的利用電容電荷交換為放電電容充電的容性功率轉(zhuǎn)換會(huì)出現(xiàn)巨大損耗。
舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)電壓為V的電容C，給另外一個(gè)電壓為0，容量同樣為C的電容充電。
● 充電前，兩者的能量總和為第一個(gè)電容的能量，1/2*C*V^2；
● 充電后，電荷重新分布，兩個(gè)電容的電壓均為1/2*V，兩個(gè)電容的能量總和為1/4*C*V^2。
損失了一半的能量。
容性功率轉(zhuǎn)換導(dǎo)致出現(xiàn)巨大損耗
進(jìn)一步的分析表明，即使在理想開(kāi)關(guān)的情況下，都是有損的，而且損耗和兩電容之間的開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻無(wú)關(guān)。
這個(gè)損耗，叫做”Charge Redistribution Loss”，就是“電荷再分布損耗”。也就是說(shuō)，只要兩個(gè)電容在有壓差的情況下，進(jìn)行了電荷傳輸，就會(huì)有損耗。類(lèi)似兩個(gè)木桶里有不同高度的水，把兩桶水位平均后水的總量沒(méi)有變，但是水的勢(shì)能改變了。
有人會(huì)問(wèn)，理想開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻是0，怎么還會(huì)有損耗呢？這個(gè)損耗到底去哪了？
其實(shí)，這個(gè)損耗歸根到底還是導(dǎo)通損耗。當(dāng)理想開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻為0時(shí)，電阻兩端電壓為0，導(dǎo)通電流無(wú)窮大。零乘無(wú)窮大的結(jié)果是一個(gè)常數(shù)。
開(kāi)關(guān)導(dǎo)致能量損耗
如圖，上半部分顯示的是一個(gè)電壓源，在有壓差的情況下硬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)致出現(xiàn)損耗。粉紅色的是電壓源的電壓，保持不變；淡藍(lán)色的是被充電的電容的電壓，逐漸建立起來(lái)的過(guò)程。右邊顯示的綠色線是充電電流。粉色的電壓源電壓減去淡藍(lán)色的電容電壓，就是開(kāi)關(guān)兩端的壓差，與電流的乘積，就是導(dǎo)通損耗。
有多種方法，來(lái)消除或者減小這個(gè)導(dǎo)通損耗。
比如，采用ZVS的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使用電流源來(lái)給電容充電。電流源的電壓與被充電的電容保持同步，開(kāi)關(guān)兩端沒(méi)有壓差，從而消除導(dǎo)通損耗。
村田為提供效率高、體積小的電源模塊，不斷采用創(chuàng)新技術(shù)。
2017年，村田收購(gòu)了由麻省理工學(xué)院成立的新創(chuàng)企業(yè)Arctic Sand。Arctic Sand在開(kāi)關(guān)電容技術(shù)及其創(chuàng)新拓?fù)浞矫鎿碛谐^(guò)125項(xiàng)專(zhuān)利。利用這些創(chuàng)新的專(zhuān)利技術(shù)，以及制程的垂直整合，村制造出更小更薄的電源模塊，同時(shí)具有優(yōu)秀的電磁兼容性能，以滿足業(yè)界領(lǐng)先的高標(biāo)準(zhǔn)需求。
村田在常見(jiàn)非隔離模塊設(shè)計(jì)上創(chuàng)新地提出靈活的2級(jí)管道電源架構(gòu)。將開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和Buck或者Boost級(jí)的模塊靈活的組合起來(lái)。
獨(dú)特架構(gòu)為器件帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)：
減小>50%占板面積
組件厚度降低50%+
大大降低功率損耗
優(yōu)秀的EMI抗輻射干擾能力
更小文波輸入電流
... ...
村田電荷泵創(chuàng)新的2級(jí)管道電源架構(gòu)
村田電荷泵的高度靈活的多級(jí)架構(gòu)，包含有專(zhuān)利的“管道”級(jí)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，以及后接的buck或者boost級(jí)。其中，第一級(jí)的電荷泵幾乎是無(wú)損的，而且效率與輸入和輸出的電壓差幾乎無(wú)關(guān)。
因?yàn)殡姾杀弥械碾娙葑隽舜蟛糠止ぷ?，使得第二?jí)的buck電路可以極大的減小輸出濾波電感的尺寸，同時(shí)，第二級(jí)的輸入電壓降低了，可以利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作的低壓開(kāi)關(guān)管。
使用兩級(jí)架構(gòu)，除了減小尺寸，還可以帶來(lái)其它好處(詳細(xì)解說(shuō),請(qǐng)下載演講資料)。例如：
● 更小的輸入紋波電流和輻射干擾水平；
● 更高的效率且可高達(dá)20MHz的開(kāi)關(guān)頻率；
● 更大的占空比；
● 小尺寸低感值可以提供更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，工作在更高的開(kāi)關(guān)頻率等。
目前村田已經(jīng)大量生產(chǎn)此系列的電荷泵產(chǎn)品。 既有分立IC形態(tài)；也有獨(dú)立電源模塊的形態(tài)，使用了村田先進(jìn)的封裝科技，并在7月舉辦的慕尼黑電子展精彩亮相。
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