背景信息

充電泵 (或稱開關電容器電壓轉換器) 填補了線性穩壓器和基于電感器的開關穩壓器之間的性能空白，為不喜歡電感器的工程師提供了另一種設計選擇。與 LDO 相比，充電泵需要一個額外的電容器 (“浮動”電容器) 才能工作，但一般來說成本僅略有增加，同時充電泵具有更高的輸出噪聲電平，而且輸出電流能力通常較弱。不過，充電泵也有一些線性穩壓器所沒有的優勢，例如效率更高、由于較高效率工作而產生更好的熱量管理、能夠升壓和降壓或者產生負電壓。當與常規開關穩壓器相比較時，充電泵的輸出電流能力較弱，效率較低。但是充電泵更簡單，易于設計，而且不需要電感器。最近在工藝技術領域取得的進步使得能夠相對于以前各代產品擴大了充電泵的輸入電壓范圍。表 1 比較了上述各種拓撲的關鍵性能參數。

表 1：LDO、充電泵和開關穩壓器的性能比較

充電泵 IC 用電容器作為儲能元件來產生輸出電壓。例如，考慮圖 1 所示的基本“倍壓器”充電泵電路。該電路采用單個浮動電容器 (圖中的 CFLY) 和 4 個由兩相時鐘驅動的內部開關 (內有“x”的圓圈)，產生比輸入電壓大一倍的輸出電壓。在時鐘的第一個相位 (圖中的 θ1)，一對開關給浮動電容器充電，使其達到輸入電壓 (VIN)。在時鐘的第二個相位 (圖中的 θ2)，第三個開關將該電容器的負端連接至 VIN，在電容器的正端有效地產生 2 * VIN。第四個開關將浮動電容器的正端連接到輸出電容器。在無負載情況下，電荷將在每個周期中傳送到輸出電容器，直至輸出充電至 2 * VIN 為止，從而產生等于兩倍輸入電壓。當存在輸出負載時，輸出電容器 (圖中的 COUT) 在第一個相位上提供負載電流，而在第二個相位上，浮動電容器提供負載電流，并給輸出電容器充電。為了傳送電荷，輸出將穩定在一個略低于 2 * VIN 的電壓上。輸出電容器在兩個時鐘相位上的充電和放電產生了輸出紋波，該紋波是輸出電容器值、時鐘頻率和輸出負載電流的函數，

圖 1：基本的充電泵倍壓器電路

其他所有充電泵電路拓撲都是以這一基本電路為基礎的，只是增加 / 改變開關和電容器以及時鐘相位數量而已。視控制器和電路拓撲的不同而不同，充電泵可以產生任意大小的輸出電壓，例如 2 倍、3 倍于輸入電壓的輸出電壓，等于輸入電壓一半的輸出電壓、負輸出電壓，與輸入電壓成分數比例的輸出電壓，如等于輸入電壓 3/2、4/3、2/3 的輸出電壓。在接近理想充電比時，充電泵的效率可以非常高。在上述的倍壓器例子中，理想情況下，輸入電源電流等于輸出負載電流的兩倍，輸入功率等于輸出功率。現實情況是，由于靜態工作電流和其他損耗，效率略低于理想情況。充電泵用途廣泛，可用于多種應用和細分市場。充電泵由于采用了創新性設計方法而更加堅固，為應用于嚴酷的工業和汽車環境創造了機會。

汽車和工業設計面臨的挑戰

為汽車應用設計電子系統極富挑戰性，原因有很多，包括寬工作溫度范圍、嚴格的 EMI (電磁干擾) 和瞬態要求以及汽車 OEM (原始設備制造商) 所要求的高質量。汽車儀表板內非常擁擠，塞滿了電子產品。雪上加霜的是，還有從藍牙到基于手機的網絡連接等各種無線系統。因此，當務之急是，給這種散熱受限的環境增加任何組件，都要注意不能產生過多的熱量或太大的 EMI。對于輻射型和傳導型電磁干擾、抗輻射和傳導性或輻射和傳導敏感性以及靜電放電 (ESD)，都有嚴格的電磁兼容性 (EMC) 要求。能否滿足這些要求影響到 IC 設計的多種性能。充電泵 (無磁性元件，無電感器) 的低 EMI 和低噪聲輸出使其成為理想選擇。充電泵一般比電感性開關的 EMI 低，因為浮動電容器的連接線可以最大限度地縮短，以減輕容性耦合和天線效應。電感器往往比電容器大，其作用如同天線，尤其是未屏蔽時。在現實情況下，與典型數字輸出相比，浮動電容器輸出根本不會產生更高的 EMI。實際上，它們產生的 EMI 反而更低，因為電路板走線被盡量縮短了。

先來看一下寬工作溫度范圍這個問題，電源 IC 在兩個方面受到了挑戰。首先是電源轉換，即使在中高效率時，電源轉換也要消耗一定量的功率，將其轉化為熱量。再加上很寬的環境工作溫度范圍這一挑戰，這類 IC 的最高結溫常常能超過 125oC。即使車身中的電子產品不在汽車的引擎罩內，密封塑料封裝的電子控制模塊內部的環境溫度也能達到 95oC。由于這些溫度挑戰，許多額定工作溫度為 85oC 甚至 125oC 的 IC 都不足以在高溫下持續工作。因此，在許多這類應用中，要求 IC 能夠在溫度高達 +150oC 時正常工作。

然而，在汽車環境中還有進一步的挑戰 (例如較寒冷的環境溫度)，這就要求能夠升壓至 5V 或者安然度過低壓冷車發動 (~3V) 至 5V 的轉換，在這種情況下，輸入可能低于所希望的輸出。這時通常需要既能夠降壓又能夠升壓的器件。此外，連接到汽車電池輸入的 DC/DC 轉換器必須承受由交流發電機電壓的偶然偏移或汽車猛然啟動引起的寬電壓擺幅。因此，這里需要提供輸入電壓瞬態保護功能的器件。工業市場與汽車市場有類似的要求，在極端溫度和寬電源電壓范圍方面要求尤其苛刻。

總之，汽車和工業系統設計師面臨的主要挑戰如下：

· 平衡功耗與高溫工作

· 抵抗輻射和傳導噪聲，具有低輻射

· 處理大的電壓瞬態擺幅

· 在低壓冷車發動情況下調節 5V 或 (3.3V)

· 最大限度地減小解決方案尺寸和占板面積

解決這些設計問題的傳統方法是整合高壓降壓和升壓型開關，或真正的 4 開關降壓-升壓型 DC-DC 轉換器。然而這類解決方案可能尺寸很大，成本高昂，同時常常需要額外的措施來避免 EMI 問題。滿足上述限制的另一種解決方案運用高效率、高壓降壓型充電泵或降壓-升壓型充電泵，這些充電泵具備廣泛的保護功能、高溫工作能力和高效率。而且，它們僅需要 3 個小型電容器。

簡單的高壓解決方案

凌力爾特公司已經開發出簡單、創新的高壓單片降壓-升壓型和降壓型充電泵 IC，專門用于汽車和工業應用。

第一款這類器件是 LTC3245，這是一款通用型 250mA 高壓降壓-升壓型充電泵。它運用開關電容器分數轉換方法，以在 2.7V 至 38V 的寬輸入電壓范圍內保持穩壓，并產生 3.3V、5V 或 2.5V 至 5V 可調的穩定輸出。內部電路自動選擇轉換率 (2:1、1:1 或 1:2)，以在輸入電壓和負載狀況變化時優化效率。很小的工作電流 (無負載時為 18μA，停機時為 4μA) 和很少的外部組件 (3 個小型陶瓷電容器，無電感器) 使 LTC3245 非常適用于低功率、空間受限的應用，例如汽車 ECU / CAN 收發器電源、工業內務處理電源和高效率低功率 12V 至 5V 轉換。參見以下圖 2 的典型應用電路。

圖 2：LTC3245 典型應用電路

與傳統開關穩壓器相比，LTC3245 的獨特恒定頻率架構提供更低的傳導和輻射噪聲。該器件能夠以引腳可選的突發模式 (Burst Mode?) 工作，這使用戶能夠選擇略為增加輸出紋波以換取較高效率 / 降低靜態電流。該 IC 的其他特點包括很少的外部組件以及用陶瓷電容器可穩定、防止啟動時電流過大的軟啟動電路、以及短路和過熱保護。

LTC3245 采用具有底面導熱焊盤的扁平 (0.75mm) 3mm x 4mm 12 引線 DFN 封裝和具有底面導熱焊盤的 12 引線 MSOP 封裝。E 級和 I 級版本的工作結溫為 -40oC 至 +125oC，而 H 級版本為 -40oC 至 +150oC，MP 級版本為 -55oC 至 +150oC。

表 2 總結了 LTC3245 的功能和優勢。

表 2：LTC3245 的功能和優勢

LTC3255 與 LDO 一樣堅固，但比開關穩壓器簡單。該器件是一款通用高壓降壓型開關電容器轉換器，提供高達 50mA 的輸出電流。在輸入電壓超過輸出電壓兩倍的應用中，充電泵的效率將近等效線性穩壓器的兩倍，提供了一種節省空間的無電感器型解決方案，可替代開關 DC/DC 穩壓器。LTC3255 產生 2.4V 至 12.5V 的穩定輸出，可在 4V 至 48V 的寬輸入范圍內運作，輸入容限為 +60V/-52V。無負載時，突發模式工作將 VIN 靜態電流降至僅為 16μA，2:1 的容性充電泵增強了輸出電流能力，使其達到輸入電流的兩倍左右。LTC3255 適用于多種應用，例如工業控制、工廠自動化、傳感器和監察控制以及數據采集 (SCADA) 系統、內務處理電源、以及適用于 4mA 至 20mA 工業電流環路的電流提升型穩壓器。參見圖 3。

圖 3：LTC3255 應用電路 — 4mA ~ 20mA 電流環路

LTC3255 或者作為通用降壓型充電泵使用，轉換率為 2:1 或 1:1，或者作為電流倍增并聯穩壓器使用。以通常模式工作時，根據 VIN、VOUT 和負載情況選擇轉換率，這時轉換模式之間的切換是自動進行的。以并聯模式工作時，該器件被強制進入 2:1 模式，從而能從電流源輸入提供穩定的輸出電壓，可提供將近兩倍于輸入電流至負載。例如，這種功能使 4mA 電流環路能夠以 3.3V 的穩定輸出電壓連續提供 7.4mA 負載電流。LTC3255 能夠承受低至 -52V 的反向輸入電源和輸出短路而不被損壞。安全功能包括輸出電流限制和過壓保護，這進一步增強了堅固性。

LTC3255 采用扁平 (0.75mm) 3mm x 3mm 10 引線 DFN 和 10 引線 MSOP 封裝，兩種封裝都有底面金屬焊盤，以增強導熱性能。E 級和 I 級版本的工作結溫為 -40oC 至 +125oC。H 級版本的工作結溫為 -40oC 至 +150oC，而高可靠性 MP 級版本規定在 -55oC 至 +150oC 的溫度范圍內工作。

表 3 總結了 LTC3255 的功能和優勢。

表 3：LTC3255 的功能和優勢

表 4 總結了凌力爾特最新高壓充電泵系列產品。

表 4：凌力爾特下一代高壓充電泵系列

結論

充電泵現在已經走向成熟。由于有限的電壓范圍以及歷史上其性能處在 LDO 和開關穩壓器之間，所以在某些方面，充電泵幾乎被遺忘了。然而，創新設計方法已經提升了充電泵的性能和功能，其中包括降壓-升壓型架構、廣泛的輸入瞬態保護以及能夠在 4mA 至 20mA 環路應用中倍增電流。視工作條件的不同而不同，充電泵達到了接近開關穩壓器的效率。因此，確實沒有理由不在高壓設計中使用充電泵。