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用“老古董”电荷泵将电压减半,使电流“效率”加倍

2024-03-19 16:41:41 STEPHEN WOODWARD 阅读:
本文展示了一个Vout=Vin/2、Iout=Iin*2的示例泵,它是围绕着古老的xx4053系列三重CMOS SPDT开关构建的……

电容式电荷泵是一种众所周知的、简单、高效、经济的(因此很受欢迎!)用于反转和倍增电压电源轨的方法。然而,也许不太为人所知的是,它们在分压(同时倍增电流)方面也同样有效。图1展示了一个Vout=Vin/2、Iout=Iin*2的示例泵,它是围绕着古老的xx4053系列三重CMOS SPDT开关构建的。YUsednc

YUsednc

图1 基于xx4053,100kHz、电压减半、电流倍增的电荷泵。YUsednc

这是它的工作原理。YUsednc

R1C1时间常数将U1pin14处的Vin/ppv方波耦合至U1pin9,从而产生的Fpump振荡器频率大约为:YUsednc

Fpump = 1 / (2 * 100k * 68 pF * loge(2)) = 100 kHzYUsednc

在Fpump负半周期(U1pin4=0)期间,C2的上端(U1pin14)连接到Vin,下端(U1pin15)连接到Vout,从而对C2充电:YUsednc

Vc2-= Vin – VoutYUsednc

然后,在接下来的Fpump正半周期(U1pin4=Vin)期间,C2的上端连接Vin,下端连接Vout,并且:YUsednc

Vc2 = VoutYUsednc

这会将一定数量的电荷充入C3:YUsednc

Q+ = C2((Vin – Vout) – Vout) = C2(Vin – 2Vout)YUsednc

在随后的负半周期中,同样如此:YUsednc

Vc2 = Vin – VoutYUsednc

将另一些电荷充入C3:YUsednc

Q- = C2 ((Vin – Vout) – Vout) = C2(Vin – 2Vout)YUsednc

因此,Fpump的每个完整周期都会在C3上存储如下净电荷:YUsednc

Q = Q+ + Q- = 2 * C2(Vin – 2Vout)YUsednc

如果Iout=0,则迫使Q=0,因此:YUsednc

Vin – 2Vout = 0YUsednc

Vout = Vin / 2YUsednc

然而,对于Iout>0的(更有趣的)情况:YUsednc

Q = Iout / 100 kHzYUsednc

2 * C2(Vin – 2Vout) = Iout / 100 kHzYUsednc

Vin – 2Vout = Iout / 100 kHz / 2 / C2YUsednc

Vout = (Vin – (Iout / 100 kHz / 2 / C2)) / 2YUsednc

换句话说,当输出被加载时,Vout会稍微下降。这是因为,对于有限的C2,Q也是有限的,而且还因为U1a和U1b内部开关的导通电阻也不为零。YUsednc

当Vin=5V时,Vout与Iout的综合影响相当于150Ω的有效阻抗,并与电流倍增“效率”一起被绘制在图2中。请注意,后者飙升超过1,因为只有一半的C2电荷(Q+)来自Vin轨,而Q-由C2上的残余电压提供,导致电压轨的额外耗电为零。YUsednc

YUsednc

图2 Vin=5V时电流倍增电荷泵Vout和Iout/Iin电流“效率”。YUsednc

那么,它有什么好处呢?YUsednc

图3展示了一种有用的应用,即从单个正电源生成名义上对称的+/-Vin/2双极性电源轨,并且将电源消耗的电流降到最小。YUsednc

YUsednc

图3 电流倍增电荷泵加上电压逆变器构成了高效的双极轨分流器。YUsednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Charge pump halves voltage to double current “efficiency”,由Ricardo Xie编译)YUsednc

责编:Ricardo
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