【導讀】電荷泵(Charge Pump)是“開關(guān)電容技術(shù)”眾多應用中的一種。利用開關(guān)電容充放電不同的連接方式,以非常簡單的電路實現(xiàn)DC/DC的升壓、降壓、負壓等變換器功能。
電荷泵(Charge Pump)是“開關(guān)電容技術(shù)”眾多應用中的一種。利用開關(guān)電容充放電不同的連接方式,以非常簡單的電路實現(xiàn)DC/DC的升壓、降壓、負壓等變換器功能。
如圖,這是一個最簡單的電荷泵電源,用來實現(xiàn)1/2降壓的功能。
與基于電感的開關(guān)電源變換器相比,電荷泵尺寸小,沒有電感器和變壓器所帶的磁場和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)換會出現(xiàn)巨大損耗。
舉例來說,一個電壓為V的電容C,給另外一個電壓為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電容的能量,1/2*C*V^2;
● 充電后,電荷重新分布,兩個電容的電壓均為1/2*V,兩個電容的能量總和為1/4*C*V^2。
損失了一半的能量。
容性功率轉(zhuǎn)換導致出現(xiàn)巨大損耗
進一步的分析表明,即使在理想開關(guān)的情況下,都是有損的,而且損耗和兩電容之間的開關(guān)的導通電阻無關(guān)。
這個損耗,叫做”Charge Redistribution Loss”,就是“電荷再分布損耗”。也就是說,只要兩個電容在有壓差的情況下,進行了電荷傳輸,就會有損耗。類似兩個木桶里有不同高度的水,把兩桶水位平均后水的總量沒有變,但是水的勢能改變了。
有人會問,理想開關(guān)的導通電阻是0,怎么還會有損耗呢?這個損耗到底去哪了?
其實,這個損耗歸根到底還是導通損耗。當理想開關(guān)導通電阻為0時,電阻兩端電壓為0,導通電流無窮大。零乘無窮大的結(jié)果是一個常數(shù)。
開關(guān)導致能量損耗
如圖,上半部分顯示的是一個電壓源,在有壓差的情況下硬開關(guān)的導致出現(xiàn)損耗。粉紅色的是電壓源的電壓,保持不變;淡藍色的是被充電的電容的電壓,逐漸建立起來的過程。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色的電容電壓,就是開關(guān)兩端的壓差,與電流的乘積,就是導通損耗。
有多種方法,來消除或者減小這個導通損耗。
比如,采用ZVS的軟開關(guān)技術(shù),使用電流源來給電容充電。電流源的電壓與被充電的電容保持同步,開關(guān)兩端沒有壓差,從而消除導通損耗。
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,村田收購了由麻省理工學院成立的新創(chuàng)企業(yè)Arctic Sand。Arctic Sand在開關(guān)電容技術(shù)及其創(chuàng)新拓撲方面擁有超過125項專利。利用這些創(chuàng)新的專利技術(shù),以及制程的垂直整合,村制造出更小更薄的電源模塊,同時具有優(yōu)秀的電磁兼容性能,以滿足業(yè)界領先的高標準需求。
村田在常見非隔離模塊設計上創(chuàng)新地提出靈活的2級管道電源架構(gòu)。將開關(guān)電容網(wǎng)絡和Buck或者Boost級的模塊靈活的組合起來。
獨特架構(gòu)為器件帶來諸多優(yōu)勢:
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級管道電源架構(gòu)
村田電荷泵的高度靈活的多級架構(gòu),包含有專利的“管道”級開關(guān)電容網(wǎng)絡,以及后接的buck或者boost級。其中,第一級的電荷泵幾乎是無損的,而且效率與輸入和輸出的電壓差幾乎無關(guān)。
因為電荷泵中的電容做了大部分工作,使得第二級的buck電路可以極大的減小輸出濾波電感的尺寸,同時,第二級的輸入電壓降低了,可以利用標準CMOS工藝制作的低壓開關(guān)管。
使用兩級架構(gòu),除了減小尺寸,還可以帶來其它好處(詳細解說,請下載演講資料)。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20MHz的開關(guān)頻率;
● 更大的占空比;
● 小尺寸低感值可以提供更快的動態(tài)響應,工作在更高的開關(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);也有獨立電源模塊的形態(tài),使用了村田先進的封裝科技,并在7月舉辦的慕尼黑電子展精彩亮相。
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