電荷泵

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电荷泵倍壓器的電路
有二極體的迪克森電荷泵
有MOSFET的迪克森電荷泵

電荷泵(charge pump)是一種直流-直流轉換器,利用電容器為儲能元件,多半用來產生比輸入電壓大的輸出電壓,或是產生負的輸出電壓。電荷泵電路的電效率英语Electrical efficiency很高,約為90-95%,而電路也相當的簡單。

敘述[编辑]

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,用較低的輸入電壓產生較高的脈衝電壓輸出。在循環的第一階段,電容器連接到電源端,因此充電到和電源相同的電壓,在第一階段會調整電路組態,使電容和電源電壓串聯。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)。較高輸出電壓的脈衝特性可以用輸出的濾波電容器來濾波。

以右圖為例,电荷泵的電容CP先由電源充電,之後電容CP和電源串聯,和輸出電容CO充電,因此CO最後會充到電源的二倍。可能需要幾個週期才能將CO充飽,但若到達穩態,CP只需要提供很少的電荷,相當於CO提供給負載需要的電荷。當CO切離電容CP時,CO會對負壓放電,因此輸出電壓會有漣波,若時脈較快,充電時間較短,漣波也會變小,也比較容易濾除。而且對應相同的鏈波規格,可以選用較小的電容器。

會有其他的電路來控制開關的定期切換,一般切換頻率會是數十kHz到數MHz,切換頻率高可以減少所需的電容器,讓較短時間內需要儲存的電荷也比較小。電荷泵中用的電容器一般會稱為飞电容(flying capacitor)。

另一種思考的方式是將電荷泵視為是多倍壓器英语Voltage multiplier及直流-交流轉換器(開關)的組合。

電荷泵的輸出電壓會和負載有關,若負載越大,其平均電壓也會越低。

電荷泵依控制方式及電路架構的不同,可以進行倍壓、三倍壓、電壓反相、電壓乘以一分數(例如×3/2, ×4/3, ×2/3等),也可以在不同模式中快速切換,產生任意大小的電壓。

在鎖相環中的電荷泵[编辑]

「電荷泵」一詞也有用在鎖相環(PLL)電路中,不過作用不同。鎖相環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衝給鎖相環的濾波電路,但其電壓只能在電源和地點之間,無法產生超過電源或低於地點的電壓。

應用[编辑]

  • 電荷泵常見的應用是RS-232信號轉換IC,可以從單一的5V或3V電源供應器產生正負電壓(多半是+10V及-10V)。
  • 電荷泵也可以用在LCD或是白光LED的驅動電路,從單一電源(例如電池)產生高偏壓的電壓。
  • 電荷泵廣泛應用在NMOS的記憶體及微處理器中,用來產生連接到IC基層(Substrate)的負電壓VBB(約-3V)。這可以確保N+至基層的結點(junction)都有3V甚至更高的逆向偏壓,可以降低結點電容,並且提昇電路的速度[1]
  • 以往在任天堂系統中,一些和任天堂相容,但沒有經由任天堂授權的遊戲卡匣,會用電荷泵產生電壓突波英语Voltage spike來錯亂任天堂系統鎖定晶片英语CIC (Nintendo)[2]
  • 到2007年為止,幾乎所有的EEPROM快閃記憶體(flash memory)都已整合了電荷泵電路。這類的晶片在記憶單元寫入新的值前,需要用高電壓的脈衝先清除該區塊已有的資料。早期的EEPROM及快閃記憶體需要二種電源:用來讀取資料的+5V以及用來清除資料的+12V。截至2007年 (2007-Missing required parameter 1=month!),巿面上可購得的EEPROM及快閃記憶體都只需要一組電源,多半是1.8V或3.3V。而清除記憶區塊需要的高電壓則由晶片中的電荷泵自行產生。
  • 在由n通道的功率MOSFET英语power MOSFET絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成的H桥電路中,電荷泵也用在H桥high side功率元件的柵極驅動器英语gate driver上。當H桥其中一隻中心點為低電壓時,會經由二極體向電容器充電,之後充電的電荷會來讓high side的柵極比電源電壓高一些,好讓功率元件導通。假設H桥正常切換的情形下,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(需要週期切換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。

參考資料[编辑]

  1. ^ Jenne, F. "Substrate Bias Circuit", US Patent 3794862A, Feb 26, 1974.
  2. ^ Kevin Horton. Colordreams Revision C. Last modified 2007-09-30. Accessed 2011-09-15.

相關條目[编辑]