摘要

高降壓比充電電荷泵 (Charge Pump) 能夠在保持較高輸出電流的同時(shí)，顯著降低輸入電流，減少能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失，進(jìn)而降低功耗，提升充電效率。本文以提高電荷泵效率為目標(biāo)，先對(duì)幾種降壓電荷泵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理，分析和總結(jié)了它們的優(yōu)勢(shì)和特性。隨后，探討了提高電荷泵效率的有效手段，如減小死區(qū)時(shí)間和飛電容電位預(yù)建，為電荷泵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供新思路。

1 引言

電荷泵（Charge Pump）變換器是一種利用電容來(lái)升高或降低電壓的DC/DC變換器。這種變換 器外圍部件主要由電容組成，且沒有電感，因此PCB占位面積較小。沒有電感損耗，且通過(guò)簡(jiǎn)單的控制即可以實(shí)現(xiàn)零電流開啟和零電壓關(guān)斷，開關(guān)損耗極低，效率極高，電荷泵被廣泛地應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備快充領(lǐng)域。

在電荷泵充電應(yīng)用中，受限于Type-C線纜的最大5A（帶E-marker芯片）通流能力，常見的2:1 （電荷泵電壓輸入輸出比）降壓電荷泵的最大充電電流為 8A 至 10A。為了滿足更大充電功率同時(shí)更高效的需求，必須減小輸入電流同時(shí)提高輸入電壓，高降壓比充電電荷泵產(chǎn)品陸續(xù)被推出市場(chǎng)。限于篇幅，下面僅對(duì)常見3:1/4:1降壓電荷泵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹及評(píng)論。

2 常見3:1/4:1 電荷泵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 3:1 Ladder 降壓電荷泵

在此拓?fù)渲?，藍(lán)色標(biāo)注的NMOS FET（S1、S3、S5）同時(shí)開啟或關(guān)閉，黑色標(biāo)注的NMOS FET （S2、S4、S6）同時(shí)開啟或關(guān)閉，且前者與后者相差 180°。（該描述適用于下面提到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后續(xù)不再贅述。）

在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)S2、S4、S6打開時(shí)，S1、S3、S5 均處于關(guān)閉狀態(tài)。輸入電流從VIN流入， 依次流經(jīng)S6、C3、C1、S2，最終從 VOUT流出（假設(shè) VOUT有對(duì)地負(fù)載，后面分析基于相同假設(shè)）；與此同時(shí)，C1、C2、S2、S4 構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng) C2、S4、C1、S2。VOUT流出的平均電流為 VIN輸入平均電流的1倍。

當(dāng)S1、S3、S5 打開時(shí)，S2、S4、S6 均處于關(guān)閉狀態(tài)。C2、C3、S3、S5 構(gòu)成回路，C3 對(duì) C2 充電；與此同時(shí)，C1、S1、S3 構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng)S1、C1、S3，最終從 VOUT流出。VOUT流出的平均電流為VIN輸入平均電流的2倍。

此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于C1、C2、C3承受的電壓均為VOUT，開關(guān)數(shù)量較少。不足在于飛電容較多， 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，流經(jīng)S1、S2、S3管的平均電流為2倍VIN輸入平均電流，C2在搬運(yùn)C3電荷到C1時(shí)存在能量損失。

2.2 4:1 Dickson 降壓電荷泵

在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)S2、S4、S6、S8打開時(shí)，S1、S3、S5、S7均處于關(guān)閉狀態(tài)。輸入電流從VIN流入，依次流經(jīng)S8、C3、S4，最終從 VOUT流出；與此同時(shí)，C1、C2、S2、S4、S6 構(gòu)成回路，電 流依次流經(jīng)S2、C2、S6、C1、S4，最終從VOUT流出。VOUT流出的平均電流為VIN輸入平均電流的 2 倍。

當(dāng)S1、S3、S5、S7 打開時(shí)，S2、S4、S6、S8 均處于關(guān)閉狀態(tài)，C1、S3、S5 構(gòu)成回路。電流 依次流經(jīng)S3、C1、S5，最終從 VOUT流出；與此同時(shí)，C2、C3、S1、S3、S7 構(gòu)成回路，電流依次 流經(jīng)S3、C3、S7、C2、S1，最終從VOUT流出。VOUT流出的平均電流為VIN輸入平均電流的2倍。

此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于飛電容數(shù)量少，同時(shí)開關(guān)數(shù)量較少。不足在于 C3、C2 均為高壓電容，成 本略高和尺寸略大，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，流經(jīng)S3、S4管的平均電流為2倍VIN輸入平均電流。

2.3 4:1 Fibonacci 降壓電荷泵

在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)S2、S5、S8、S10 打開時(shí)，S1、S3、S4、S6、S7、S9 均處于關(guān)閉狀態(tài)。輸入電流從VIN流入，依次流經(jīng)S10、C3、S8、C2、S5、C1、S2，最終從VOUT流出。VOUT流出的平 均電流為VIN輸入平均電流的1倍。

當(dāng)S1、S3、S4、S6、S7、S9打開時(shí)，S2、S5、S8、S10均處于關(guān)閉狀態(tài)。C3、S1、S4、S7、 S9 構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng)S9、C3、S7、S4、S1，最終從 VOUT流出；C2、S1、S4、S6構(gòu)成回路， 電流依次流經(jīng)S6、C2、S4、S1，最終從 VOUT流出；C1、S1、S3構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng)S3、C1、 S1，最終從VOUT流出。VOUT流出的平均電流為VIN輸入平均電流的3倍。

此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于電容耐壓為VOUT電壓，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。不足在于開關(guān)管數(shù)量較多，放電時(shí)開關(guān) 管共享路徑，導(dǎo)致流經(jīng)S1平均電流為3倍VIN輸入平均電流，S4流過(guò)2倍VIN輸入平均電流。

2.4 4:1 Serial-parallel 降壓電荷泵

在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)S7、S8、S9、S10 打開時(shí)，S1、S2、S3、S4、S5、S6 均處于關(guān)閉狀態(tài)。輸入電流從VIN流入，依次流經(jīng)S10、C3、S9、C2、S8、C1、S7，最終從VOUT流出。VOUT流出的平均電流為VIN輸入平均電流的1倍。

當(dāng)S1、S2、S3、S4、S5、S6打開時(shí)，S7、S8、S9、S10均處于關(guān)閉狀態(tài)。C3、S5、S6構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng)S6、C3、S5，最終從 VOUT流出；C2、S3、S4構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng)S4、C2、S3，最終從 VOUT流出；C1、S1、S2構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng)S2、C1、S1，最終從 VOUT流出。VOUT流出的平均電流為VIN輸入平均電流的3倍。

此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于電容耐壓為VOUT電壓，流過(guò)所有管子平均電流為1倍VIN輸入平均電流，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。不足在于開關(guān)管數(shù)量較多。

2.5 4:1 Doubler 降壓電荷泵

此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可認(rèn)為是兩級(jí)2:1電荷泵的串聯(lián)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)S2、S4、S6、S8打開時(shí)，S1、S3、S5、S7 均處于關(guān)閉狀態(tài)。輸入電流從VIN流入，依次流經(jīng)S8、C3、S6、S4、C1、S2，最終從VOUT流出；C1、C2、S2、S4構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng)C2、S4、C1、S2，最終從VOUT流出。VOUT流出的平均電流為VIN輸入平均電流的2倍。

當(dāng)S1、S3、S5、S7 打開時(shí)，S2、S4、S6、S8 均處于關(guān)閉狀態(tài)。C2、C3、S5、S7 構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng)S7、C3、S5、C2；與此同時(shí)，C1、S1、S3 構(gòu)成回路，電流依次流經(jīng) S3、C1、S1，最終從VOUT流出。VOUT流出的平均電流為VIN輸入平均電流的2倍。

此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于開關(guān)管數(shù)量較少。不足在于 C2、C3 為高壓電容，成本略高和尺寸略大，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，流過(guò)S1、S2、S3、S4管的平均電流為2倍輸入電流。

3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總結(jié)

從電路驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、所需功率管數(shù)量、是否需要高壓電容、所需最小電容數(shù)量這幾個(gè)維度出發(fā)，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總結(jié)如下表1所示。

表1 各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總結(jié)

4 效率優(yōu)化手段

在實(shí)際電荷泵產(chǎn)品中，往往會(huì)集成兩相，兩相之間相差 180°交錯(cuò)工作，可以在大負(fù)載下取得較高的效率。以下是兩種可行的手段。

4.1 減小死區(qū)時(shí)間

死區(qū)時(shí)間可以認(rèn)為是所有功率管均處于關(guān)斷狀態(tài)下的時(shí)間。在此時(shí)間里，VOUT沒有來(lái)自輸入VIN或者飛電容的能量補(bǔ)給。輸出負(fù)載或者死區(qū)時(shí)間越大，VOUT的電壓跌落幅值越大。較大的VOUT電壓跌落幅值不利于效率的提升，仿真和實(shí)踐均驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

4.2 飛電容電位預(yù)建

互補(bǔ)雙相電荷泵的飛電容交替連接在上下兩個(gè)電壓段。每次切換前，需要先斷開與當(dāng)前連接段的開關(guān)，再接通到下次連接的電壓段。與當(dāng)前電壓段的連接被斷開后，受開關(guān)節(jié)點(diǎn)寄生電容儲(chǔ)存電荷的影響，飛電容仍浮空在該段電壓，直到下一個(gè)接通過(guò)程將飛電容拉到新的電壓段。飛電容電壓在兩個(gè)段間飛行的過(guò)程伴隨著寄生電容的充放電。如不采用電感-電容儲(chǔ)能交換，則無(wú)法充分消除與寄生電容及其電壓變化相關(guān)的損失。

引用文獻(xiàn)提出了通過(guò)接通處于兩個(gè)電壓段的互補(bǔ)飛電容開關(guān)節(jié)點(diǎn)，并在下次接通前預(yù)先建立飛電容電壓的一種方案，以提高電路的效率。如圖 6 所示，該方案利用背靠背功率管短接 CFLA、 CFLB 節(jié)點(diǎn)，使得處于不同電壓段的寄生電容向中間電位拉平，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)損電荷搬移，而無(wú)需使用電感。這種方法通過(guò)讓處于不同電壓段的寄生電容互充、減少了最多不超過(guò) 1/4 的損失。與利用主開關(guān)通道建立新的寄生電容電壓相比，該方案在預(yù)建電壓的同時(shí)，也對(duì)柵-漏電容充電，從而減少了主開關(guān)導(dǎo)通建立時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了比寄生電容充分損失減小更多的效率提升。這種以增加一對(duì)開關(guān)為代價(jià)換取效率改善的方案，已經(jīng)在一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)中以不同形式得到實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了其效率改善效果。