【導(dǎo)讀】本文圍繞電源管理技巧，介紹一種生成中間總線電壓的替代方法，即采用大功率電荷泵取代降壓型穩(wěn)壓器。相較于基于電感器的降壓調(diào)節(jié)方式，使用電荷泵可實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。本文重點闡述運用電荷泵技術(shù)進行電壓轉(zhuǎn)換的諸多益處。
引言
在傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)中，降壓型穩(wěn)壓器通常用于將較高電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓。然而，當(dāng)需要未經(jīng)調(diào)節(jié)的中間電壓軌時，電荷泵這一種替代技術(shù)可派上用場。它無需電感器元件，不僅能實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，還能節(jié)省成本。
利用電荷泵生成中間電壓軌
中間電壓軌在電源架構(gòu)中扮演著關(guān)鍵角色。它使得額定電壓較低的電源轉(zhuǎn)換器IC得以應(yīng)用，并且能讓降壓穩(wěn)壓器實現(xiàn)更高效的電壓轉(zhuǎn)換階段。與直接從非常高的電源電壓進行電壓轉(zhuǎn)換相比，降壓穩(wěn)壓器在這種情況下能夠以更有利的占空比運行。圖1展示了一個12 V電源電壓的電源架構(gòu)，其中生成了一個6 V的中間電壓。鑒于中間電壓軌并不直接為系統(tǒng)所用，因此無需進行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。相反，各自的第二級電源轉(zhuǎn)換階段會利用負(fù)載點降壓穩(wěn)壓器，將中間電壓軌的電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電源電壓。
圖1.在12 V系統(tǒng)中使用6 V的中間電壓。
為了生成中間總線電壓，可采用配備電感器的降壓式開關(guān)模式穩(wěn)壓器（降壓型穩(wěn)壓器），其轉(zhuǎn)換效率可達約為90%。電荷泵技術(shù)則提供了一種高效的替代方案。
LTC7825電荷泵轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了出色的效率。在從12 V轉(zhuǎn)換為6 V的過程中，當(dāng)負(fù)載電流為5 A(30 W)時，其效率達到97.5%；當(dāng)負(fù)載電流為10 A(60 W)時，其效率接近96%。
之所以能夠達到如此高的效率，得益于集成電荷泵開關(guān)所用的精密控制系統(tǒng)。這種設(shè)計方案還實現(xiàn)了出色的電磁兼容性(EMC)。
圖2.使用電荷泵生成中間總線電壓的簡化電路圖。
圖2展示了電荷泵電路的簡化電路圖。該電路的運行無需依賴控制環(huán)路。其輸出電壓穩(wěn)定在6V，與12V的輸入電壓緊密相關(guān)，且始終維持在輸入電壓的一半。這種無控制環(huán)路、自由運行的電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，不僅實現(xiàn)了極高的效率，還具備低EMC特性。此外，該電路還具備一個顯著優(yōu)勢，即無需使用電感器。要知道，在高負(fù)載電流情況下，電感器不僅體積龐大，而且成本高昂。
圖3是在ADI公司的仿真程序LTspice?中搭建的采用LTC7825的電荷泵電路。這款出色的軟件工具能夠?qū)﹄姾杀猛負(fù)浣Y(jié)構(gòu)進行精準(zhǔn)仿真，幫助使用者深入洞悉這類電路的特性與局限之處。
圖3.使用LTspice對LTC7825電路進行研究。
盡管電荷泵在傳統(tǒng)應(yīng)用中主要用于低功率場景，但借助LTC7825這樣的新型器件，電荷泵能夠適用于更高功率的工作環(huán)境，功率上限可達100 W。而當(dāng)面臨更高的功率需求時，LTC7820可以作為一款配備外部開關(guān)的控制器投入使用。
結(jié)論
如果電壓轉(zhuǎn)換無需精確穩(wěn)壓且輸出電壓應(yīng)為現(xiàn)有電源電壓的一半，電荷泵電路不僅可以提供更高的效率和出色的電磁兼容性，還能省去對電感器的需求。
作者簡介
Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，進而積累了不少經(jīng)驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)開關(guān)電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計和應(yīng)用知識，目前擔(dān)任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。
