電荷泵的常見應用

電荷泵(charge pump)是一種直流-直流轉(zhuǎn)換器,利用電容器為儲能元件,多半用來產(chǎn)生比輸入電壓大的輸出電壓,或是產(chǎn)生負的輸出電壓。電荷泵電路的電效率很高,約為90-95%,而電路也相當?shù)暮唵巍?/div>
 
電荷泵利用一些開關元件來控制連接到電容器的電壓。例如,可以配合二階段的循環(huán),用較低的輸入電壓產(chǎn)生較高的脈沖電壓輸出。在循環(huán)的第一階段,電容器連接到電源端,因此充電到和電源相同的電壓,在第一階段會調(diào)整電路組態(tài),使電容和電源電壓串聯(lián)。若不考慮漏電流的效應,也假設沒有負載,其輸出電壓會是輸入電壓的兩倍(原始的電源電壓加上電容器兩端的電壓)。較高輸出電壓的脈沖特性可以用輸出的濾波電容器來濾波。
 
"電荷泵"一詞也有用在鎖相環(huán)(PLL)電路中,不過作用不同。鎖相環(huán)中的電荷泵只是雙極性的切換式電流源,因此可以輸出正負交換的電流脈沖給鎖相環(huán)的濾波電路,但其電壓只能在電源和地點之間,無法產(chǎn)生超過電源或低于地點的電壓。
 
電荷泵常見的應用是RS-232信號轉(zhuǎn)換IC,可以從單一的5V或3V電源供應器產(chǎn)生正負電壓(多半是+10V及-10V)。
 
電荷泵也可以用在LCD或是白光LED的驅(qū)動電路,從單一電源(例如電池)產(chǎn)生高偏壓的電壓。
 
電荷泵廣泛應用在NMOS的內(nèi)存及微處理器中,用來產(chǎn)生連接到IC基層(Substrate)的負電壓VBB(約-3V)。這可以確保N+至基層的結(jié)點(junction)都有3V甚至更高的逆向偏壓,可以降低結(jié)點電容,并且提升電路的速度。
 
到2007年為止,幾乎所有的EEPROM及快閃存儲器(flash memory)都已整合了電荷泵電路。這類的芯片在記憶單元寫入新的值前,需要用高電壓的脈沖先清除該區(qū)塊已有的資料。早期的EEPROM及快閃存儲器需要二種電源:用來讀取資料的+5V以及用來清除資料的+12V。截至2007年,市面上可購得的EEPROM及快閃存儲器都只需要一組電源,多半是1.8V或3.3V。而清除記憶區(qū)塊需要的高電壓則由芯片中的電荷泵自行產(chǎn)生。
 
在由n通道的功率MOSFET或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成的H橋電路中,電荷泵也用在H橋high side功率元件的柵極驅(qū)動器上。當H橋其中一只中心點為低電壓時,會經(jīng)由二極管向電容器充電,之后充電的電荷會來讓high side的柵極比電源電壓高一些,好讓功率元件導通。假設H橋正常切換的情形下,上述的作法可以正常工作,免去了另一個獨立的電源供應器,也讓開關可以使用效率更好的n通道元件。這種電路(需要周期切換high side功率元件)也稱為bootstrap電路,有時也和電荷泵電路會有些差異。
 
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