电荷泵的基本原理及其特点

1.电容充放电电路及其电压与电流波形

　　LED电荷泵驱动器也称为开关电容变换器，其基本原理是利用（陶瓷）电容器将能量从电池传输到并联的LED阵列。

　　电容是一种存储电荷或电能并按预先确定速度和时间放电的元件。如果用一个理想的电压源VG对电容进行充电（图1（a）），电容将依据Diract电流脉冲函数立即存储电荷（见图1（b））。电容存储的总电荷量为：

（a）理想情况下的电容充电电路 （b）理想情况下的电容充咆电压和电流波形

图1 理想情况下的电容充电电路和充电电压与电流波形

　　实际的电容都有一个等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ ESL ），两者都不会影响电容存储电荷的能力，但它们对开关电容电压变换器的整体转换效率却有较大的影晌。实际的电容充电等效电路如图2（a ）所示，其中Rsw是开关S的电阻。图2（b）为实际情况下的电容充电电压和电流波形。

（a）实际情况下的电容充电电路 （b）实际情况下的电容充电电压和电流波形

图2 实际情况下的电容充电电路和充电电压与电流波形

　　2.电荷泵的基本工作原理

　　一旦电路被加电，将产生指数特性的瞬态条件，直到达到一个稳态条件为止。电容的寄生效应限制峰值充电电流，并增加电荷转移时间。因此，电容的电荷累积不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变化为零。电荷泵就利用了这种电容特性，如图3（a）所示。

　　电压转换在两个阶段内实现。在第一个阶段，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，充电到输入电压：

　　在第二个阶段，开关S3和S4关闭，而S1和S2开。困为电容两端的电压降不能立即改变，输出电压跳变到输入电压值的2倍：

　　使用这种方法可以实现电压的倍压。开关信号的占空比通常为50％，通常能产生最佳的电荷转移效率。下面让我们更详细地了解电荷转换过程以及开关电容变换器寄生效应是如何影响其工作的。

　　图3（b） 显示了开关电容电压倍压器的稳态电流和电压波形。根据功率守恒的原理，平均的输入电流是输出电流的2倍。在第一阶段，充电电流流入C1。该充电电流的初始值决定于电容C1两端的初始电压、C1 的 ESR以及开关的电阻。在C1充电后，充电电流呈指数级地降低。充电时间常数是开关周期的几倍，更小的充电时间常数将导致峰值电流增加。在这段时间内，输出电容C。提供负载电流线性放电的电量，放电量为：

（a）电荷泵电路 （b）相关波形

图3 电荷泵电路及其相关波形

　　在第二阶段，C1连接到输出端，放电电流（电流大小与前面的充电电流相同）通过C1流到负载。在这个阶段，输出电容电流的变化大约为21I。。尽管这个电流变化应该能产生一个输出电压变化（2I。×ESRco），而使用低ESR的陶瓷电容可使这种变化可以忽略不计。此时，C。的电压变化量在数值上与式（1）一样。

　　当C1连接到输入端和地之间时，C。将线性地放电。总的输出纹波峰值电压为：

　　更高的开关频率可以采用更小的输出电容来获得相同的纹波。电荷泵的寄生效应导致输出电压随着负载电流的增加而下降。事实上，总是存在大小为2I。的RMS电流流过C1和两个开关（2RSW），导致产生的功耗为：

　　除了这些纯粹的电阻损耗，大小I。的RMS电流流过开关电容C1的等效电阻时，产生的功耗为：

　　流过C。的 RMS电流等于I。，导致产生的功耗为：

　　所有这些损耗可以用下面的等效输出电阻进行汇总：

　　这样一来，电荷泵的输出电压可以用下面的等式表示：

　　总之，因为陶瓷电容低的 ESR以及高的开关频率，输出纹波以及输出电压降取决于开关电阻。利用更多的开关和电容可以实现附加的电压转换，如图4所示。在这个电路中，同样的，电压转换在两个阶段内实现。在第一个阶段，开关S1～S3 关闭，而开关S4～S8打开。因此，C1和 C2并联，假设C1等于C2，则充电到一半的输入电压为：

图4 具有1倍和1～5倍增益的开关电容电路

　　输出电容C。提供输出负载电流。随着这个电容的放电，输出电压降低到期望的输出电压以下，第二个阶段被激活来将输出电压增高到期望值以上。在第二阶段，C1和C2并联，连接在VIN和VO端之间。开关S4～S7关闭，而S1～S3和S8打开。因为电容两端的电压降并不能突变，输出电压跳变到输入电压值的1.5倍。

　　若关闭S8并保持S1～S7打开，则电压转换可以获得1倍的增益。

　　采用脉冲频率调制（PFM）方法可以实现电荷泵电压调节，电路框图如图5所示。在图5所示的电路中利用了多个增益。输出电压通过PUMP／SKIP比较器与1.2V的参考电压进行比较，PUMP／SKIP比较器的输出电压在启动时线性上升。提供软启动功能。当输出电压超过期望的电平时，器件不会开启，消耗的电源电流非常小。在这种待机（空闲）状态期间，输出电容C。向负载提供输出啦流。随着该电容不断放电，输出电压将降低到预置电平以下，此时电荷泵被激活直到出电压再次升高到期望的电平。

图5 电荷泵PFM电压调节电路框图

　　在轻载条件下，PFM 调节架构的优势是明显的。由于通常由输出电容为负载提供电能，故电源电流非常小，输出电容只需要偶尔通过电荷泵进行再次充电。

　　输入电压通过电阻分压器加到3个比较器的同相输入端，3个比较器的反相输入端都连接到电压输出端。根据输入电压与输出嵬压之比，为比较器的输出提供一个3bit的增益控制电路。增益控制电路用于选择最小的增益（G），这样就可以获得期望的电压转换。

　　图6为基于电荷泵的LED驱动器框图。这种电荷泵内置4个开关，驱动4个并联的白光LED。

图6 基于电荷泵的LED驱动器框图

　　对于开关电容ffi LED驱动器，根据能量守恒原理，其输入电流会随着电压增益G而变化。在1倍压（1x）情况下，输入电流与输出电流相等；在2倍压（2×）时，输入电流为输出电流的 2倍。这种拓扑结构的效率为：

　　3、电荷泵 LED 驱动器的主要特点

　　电荷泵驱动器用来驱动若干个相并联的LED，其最大的优势是无须使用电感元件，具有LED亮度一致、尺寸小、成本低、噪声低、辐射EMI小及控制能力强等特点。但是，这种拓扑结构的效率比咆感升压变换器低，尤其是带电压调节的电荷泵的效率往往不足70％。另外，电荷泵不仅输出电流受限制，而且所驱动的LED数量受封装水平利引脚数量的限制，欲将12只以上的LED并联应用难度甚大。