如何計(jì)算不帶電感的DC-DC轉(zhuǎn)換中電荷泵的功耗?
發(fā)布時(shí)間:2021-08-24 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】系統(tǒng)工程中一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是子系統(tǒng),其主電源無(wú)法滿足其電源需求。在這種情況下,可用的供電軌不能直接使用,也不能直接使用電池電壓(如果有)。空間不足會(huì)阻止包含最佳數(shù)量的電池,否則放電電池的電壓下降可能不適用于該應(yīng)用。
系統(tǒng)工程中一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是子系統(tǒng),其主電源無(wú)法滿足其電源需求。在這種情況下,可用的供電軌不能直接使用,也不能直接使用電池電壓(如果有)。空間不足會(huì)阻止包含最佳數(shù)量的電池,否則放電電池的電壓下降可能不適用于該應(yīng)用。
電壓轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生所需的電壓電平,而電荷泵通常是要求低功耗,簡(jiǎn)單和低成本相結(jié)合的應(yīng)用的最佳選擇。電荷泵易于使用,因?yàn)樗鼈儾恍枰嘿F的電感器或其他半導(dǎo)體。
電荷泵–概述
電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器使用陶瓷或電解電容器來(lái)存儲(chǔ)和傳輸能量。盡管電容器比其他類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用的線圈更普遍且更便宜,但電容器無(wú)法突然改變其電壓電平。不斷變化的電容器電壓始終遵循指數(shù)函數(shù),這施加了電感式電壓轉(zhuǎn)換器可以避免的限制。然而,感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換器更昂貴。
使用此原理的常見(jiàn)集成電路是ICL7660,有人認(rèn)為它是經(jīng)典電荷泵的原型。ICL7660集成了開關(guān)和振蕩器,因此開關(guān)S1,S3和S2,S4交替工作(圖1)。此處顯示的配置將輸入電壓反相。外部連接稍有變化,它也可以使輸入電壓加倍或分壓。
閉合S1和S3會(huì)在前半個(gè)周期將飛跨電容器C1充電至V +。在下半部分,S1和S3打開,S2和S4關(guān)閉。此動(dòng)作將C1的正極連接到地,并將負(fù)極連接到VOUT。C1然后與儲(chǔ)能電容器C2并聯(lián)。如果C2兩端的電壓小于C1兩端,則電荷從C1流到C2,直到C2兩端的電壓達(dá)到-(V +)。
電容分壓器
考慮一種設(shè)計(jì)用于將輸入電壓除以2并使輸出電流加倍的電路。它具有優(yōu)于線性穩(wěn)壓器(通常將功率轉(zhuǎn)換為熱量)的優(yōu)勢(shì),并有益于需要有限輸出電流的應(yīng)用。例如,一個(gè)4mA至20mA的接口通常會(huì)提供相對(duì)較高的輸出電壓,但會(huì)提供有限的預(yù)設(shè)輸出電流。其他應(yīng)用包括許多運(yùn)算放大器和微控制器,它們現(xiàn)在以非常低的電源電壓工作。在這些電路中,理論上將電源電壓除以2會(huì)將功耗除以4。
圖2的配置使用電容性分壓器C3,C4和C5,C6產(chǎn)生穩(wěn)定的VOUT(= VIN / 2)。通過(guò)在該分壓器的上半部和下半部之間交替切換飛跨電容器C2,IC可抵消任何與負(fù)載有關(guān)的電壓差。該電路的開關(guān)頻率為35kHz,靜態(tài)電流僅為36µA。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)1mA時(shí),電路效率超過(guò)90%。然而,在很小的負(fù)載電流(即低于100µA)的情況下,即使如此低的36mA靜態(tài)電流也會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率。與簡(jiǎn)單的電阻分壓器相比,這種開關(guān)電容器配置既提供了更好的穩(wěn)壓性能,又比從分壓器和運(yùn)算放大器緩沖器的簡(jiǎn)單組合獲得的效率更高。IC規(guī)范將VIN限制為最大5.5V。
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