关于电荷泵@@电源@@@@,你想知道的都在这里@@~~~

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电荷泵@@(Charge Pump)是@@“开关电容@@技术@@”众多应用中的一种@@。利用开关电容@@充放电不同的连接方式@@,以非常简单的电路实现@@DC/DC的升压@@、降压@@、负压等变换器功能@@。

如图@@,这是@@一个最简单的电荷泵@@电源@@@@,用来实现@@1/2降压@@的功能@@。

电荷泵@@电源@@

与基于电感的开关电源变换器相比@@,电荷泵@@尺寸小@@,没有电感器@@和变压器所带的磁场和@@EMI干扰@@;而且@@,尤其是@@在集成电路中@@,与电感@@、变压器相比@@,电容更容易与芯片集成@@,所以电荷泵@@被广泛应用@@。

然而@@,传统的利用电容电荷交换为放电电容充电的容性功率转换会出现巨大损耗@@。

举例来说@@,一个电压为@@V的电容@@C,给另外一个电压为@@@@0,容量同样为@@C的电容@@充电@@。

  • 充电前@@,两者的能量总和为第一个电容的能量@@,1/2*C*V^2;
  • 充电后@@,电荷重新分布@@,两个电容的电压均为@@1/2*V,两个电容的能量总和为@@1/4*C*V^2。

损失了一半的能量@@。

容性功率转换导致出现巨大损耗@@

容性功率转换导致出现巨大损耗@@

进一步的分析表明@@,即使在理想开关的情况下@@,都是@@有损的@@,而且@@损耗和两电容之间的开关的导通电阻无关@@。

这个损耗@@,叫做@@”Charge Redistribution Loss”,就是@@@@“电荷再分布损耗@@”。也就是@@@@说@@,只要两个电容在有压差的情况下@@,进行了电荷传输@@,就会有损耗@@。类似两个木桶里有不同高度的水@@,把两桶水位平均后水的总量没有变@@,但是@@水的势能改变了@@。

有人会问@@,理想开关的导通电阻是@@@@0,怎么还会有损耗呢@@?这个损耗@@到底去哪了@@?

其实@@,这个损耗@@归根到底还是@@导通损耗@@。当理想开关导通电阻为@@0时@@,电阻两端电压为@@0,导通电流无穷大@@。零乘无穷大的结果是@@一个常数@@。

开关导致能量损耗@@

开关导致能量损耗@@

如图@@,上半部分显示的是@@一个电压源@@,在有压差的情况下硬开关的导致出现损耗@@。粉红色的是@@电压源的电压@@,保持不变@@;淡蓝色的是@@被充电的电容@@的电压@@,逐渐建立起来的过程@@。右边显示的绿色线是@@充电电流@@。粉色的电压源电压减去淡蓝色的电容@@电压@@,就是@@@@开关两端的压差@@,与电流的乘积@@,就是@@@@导通损耗@@。

有多种方法@@,来消除或者@@减小@@这个导通损耗@@。

比如@@,采用@@ZVS的软开关技术@@,使用电流源来给电容充电@@。电流源的电压与被充电的电容@@保持同步@@,开关两端没有压差@@,从而消除导通损耗@@。

村田@@为提供效率高@@、体积小的电源模块@@@@,不断采用@@创新技术@@。

2017年@@,村田@@收购了由麻省理工学院成立的新创企业@@Arctic Sand。Arctic Sand在开关电容@@技术@@及其创新拓扑方面拥有超过@@125项专利@@。利用这些创新的专利技术@@,以及制程的垂直整合@@,村制造出更小更薄的电源模块@@@@,同时@@@@具有优秀的@@电磁兼容性能@@,以满足业界领先的高标准需求@@。

村田@@在常见非隔离模块设计上创新地提出灵活的@@2级@@管道@@电源架构@@。将开关电容@@网@@络和@@Buck或者@@Boost级@@的模块灵活的组合起来@@。

独特架构为器件带来诸多优势@@:

减小@@>50%占板面积@@

组件厚度降低@@50%+

大大降低功率损耗@@

优秀的@@EMI抗辐射干扰@@能力@@ 

更小文波输入电流@@

... ...

村田@@电荷泵@@创新的@@2级@@管道@@电源架构@@

村田@@电荷泵@@创新的@@2级@@管道@@电源架构@@

村田@@电荷泵@@的高度灵活的多级@@架构@@,包含有专利的@@“管道@@”级@@开关电容@@网@@络@@,以及后接的@@buck或者@@boost级@@。其中@@,第一级@@的电荷泵@@几乎是@@无损的@@,而且@@效率与输入和输出的电压差几乎无关@@。

因为电荷泵@@中的电容@@做了大部分工作@@,使得第二级@@的@@buck电路可以极大的减小@@输出滤波电感的尺寸@@,同时@@@@,第二级@@的输入电压降低了@@,可以利用标准@@CMOS工艺制作的低压开关管@@。

使用两级@@架构@@,除了减小@@尺寸@@,还可以带来其它好处@@(详细解说@@,请下载演讲资料@@)。例如@@:

  • 更小的输入纹波电流和辐射干扰@@水平@@;
  • 更高的效率且可高达@@20MHz的开关频率@@;
  • 更大的占空比@@;
  • 小尺寸低感值@@可以提供更快的动态响应@@,工作在更高的开关频率@@等@@。

目前村田@@已经大量生产此系列的电荷泵@@产品@@@@。 既有分立@@IC形态@@;也有独立电源模块@@的形态@@@@,使用了村田@@先进的封装科技@@,并在@@7月举办的慕尼黑电子展精彩亮相@@。

电荷泵@@产品@@

文章来源@@:Murata村田@@中国@@

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