電荷泵是DC-DC轉(zhuǎn)換器的一種形式，它依靠電容器而不是電感器進(jìn)行能量存儲(chǔ)和傳輸。由于沒(méi)有電感器，因此在需要低功耗輔助電源（輸出電流高達(dá)約150mA）的情況下具有吸引力。它們使用更少的電路板面積，提供最小的元件高度，并且易于使用。

電荷泵可以具有穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓輸出。未穩(wěn)壓電荷泵使為其供電的電壓加倍或反相，輸出電壓是電源電壓的函數(shù)。一個(gè)穩(wěn)壓電荷泵對(duì)電源電壓進(jìn)行升壓或反相處理。其輸出電壓與電源無(wú)關(guān)。

減小電容器尺寸和優(yōu)化輸出電流的技術(shù)（快速開關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻開關(guān)）也會(huì)在輸入電源引腳上產(chǎn)生噪聲和瞬態(tài)紋波。噪聲會(huì)沿著輸入電源引腳傳播回去，給晶體控制振蕩器、VCO和其他電源抑制性能差的敏感電路帶來(lái)問(wèn)題。本文重點(diǎn)介紹降低噪聲的方法。

簡(jiǎn)化操作

首先，考慮將電荷泵連接為逆變器。在簡(jiǎn)化版本（圖1）中，操作由占空比為2%的兩相時(shí)鐘信號(hào)控制。泵電容（電荷轉(zhuǎn)移元件）充電至V在通過(guò)閉合SW1A和SW1B。SW2A 和 SW2B 目前開放。在下一個(gè)時(shí)鐘周期，SW2A 和 SW2B 的閉合將泵浦電容連接到 C外，從而產(chǎn)生 -V在在輸出端。

圖1.作為逆變器連接的電荷泵的簡(jiǎn)化圖。

接下來(lái)，將電荷泵連接為倍增器（圖2）。與以前一樣，操作由兩相、占空比為2%的時(shí)鐘信號(hào)控制。泵浦電容器是電荷傳輸裝置，充電至V在通過(guò)關(guān)閉SW2A和SW2B（SW1A和SW2B此時(shí)打開）。在下一個(gè)時(shí)鐘周期，SW1A和SW1B的閉合產(chǎn)生+2V在通過(guò)將泵浦電容器連接到 C 在輸出端外.

圖2.作為倍增器連接的電荷泵的簡(jiǎn)化示意圖。

輸入和輸出紋波是由泵浦電容器的快速充電和放電引起的。圍繞MAX3電荷泵構(gòu)建的反相電路（圖665）在5Ω兩端產(chǎn)生51V電壓，說(shuō)明了輸入紋波偽像（圖4）。（大電流、低頻（≤100kHz）MAX665產(chǎn)生的紋波很容易測(cè)量。

圖3.該電荷泵逆變電路用于測(cè)量。

圖4.標(biāo)準(zhǔn)逆變電路的輸入電壓和電流紋波：C在= C泵= C外= 100μF，R負(fù)荷= 51Ω,V在= +5.73V和V外= -5.06V。輸入電流紋波（上跡線）：100mA/格輸入電壓紋波（下跡線）：200mV/格，交流耦合。

紋波抑制方法

為了減少紋波，必須將紋波源與電路的其余部分隔離開來(lái)。為了在電荷泵中獲得最佳轉(zhuǎn)換效率，還應(yīng)最大限度地降低ESR，并確保輸入、輸出和泵電容值盡可能接近數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦的值。以下討論涵蓋了四種最小化紋波及其影響的技術(shù)。

降低輸入電容器中的 ESR 意味著多個(gè)電容器并聯(lián)：N 個(gè)相同的電容器并聯(lián)可將輸入紋波降低 N-1.不幸的是，這種方法在成本和印刷電路板面積方面不是很有效。

相反，在輸入電源引腳上添加一個(gè)LC濾波器（圖5）。附加濾波可防止紋波通過(guò)輸入電源走線傳播到其他電路。作為二階濾波器，LC網(wǎng)絡(luò)最大限度地減少了元件數(shù)量。此外，其小串聯(lián)電感在輸入電源和電荷泵之間產(chǎn)生最小的壓降。

紋波頻率基波等于泵浦頻率（F時(shí)鐘/2).二階濾波器的衰減頻率為40dB/十倍頻程，因此理想的濾波器頻率應(yīng)至少比所選的F低十倍頻程時(shí)鐘/2.

電感必須處理大于1.5I的直流電流外沒(méi)有飽和度。對(duì)于臨界阻尼（即無(wú)峰值），

濾波器應(yīng)具有臨界阻尼或靠近阻尼，給定R的低阻抗值源和 R負(fù)荷.然而，臨界阻尼對(duì)于電路運(yùn)行并不重要。即使在滾降點(diǎn)出現(xiàn)一些峰值，濾波仍然有效。一個(gè) 10μF 濾波電容器和 10μH 濾波扼流圈共同提供 3.15kHz 的 9dB 頻率和一個(gè)臨界 R源的 1Ω。圖6顯示了圖5電路在不同阻尼比下的幅度響應(yīng)，圖7顯示了其較低的紋波水平（與圖3的電路相比）。

在電荷泵的輸入電源（圖8）中添加一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器，可產(chǎn)生一個(gè)有效的通用電路，以防止紋波對(duì)系統(tǒng)其余部分的影響。輸入LDO還采用比無(wú)源LC濾波器更小的電容工作：300mA MAX8860 LDO （采用8引腳μMAX封裝）在輸入和輸出端需要2.2μF電容;MAX8863–MAX8864系列120mA線性穩(wěn)壓器（采用SOT23封裝）僅需1μF陶瓷電容。但是，LDO必須處理至少兩倍的電荷泵輸出負(fù)載電流。與等效的無(wú)源濾波器相比，這種額外電流能力的額外成本可能會(huì)使LDO方法在成本和性能（PCB面積和衰減）方面超出界限。?

在輸入電源（圖9）增加RC是LC濾波器方法的單階版本。一般不建議使用 RC 輸入，因?yàn)?R 的值較低濾波器最小效率損耗（< 5Ω）所需的壓力非常大的C濾波器.圖10所示是在圖9電路輸入端增加RC濾波器的效果，其中MAX665與100μF電容產(chǎn)生5V輸出，負(fù)載電阻為51Ω

如果輸入電源是電池，則電池的有效大容量電容可以作為C濾波器.因?yàn)?C濾波器是一個(gè)非常大的電容，所得濾波器在減少電池處的紋波效應(yīng)方面非常有效。一個(gè)例子有助于說(shuō)明這一點(diǎn)：800mAH鋰電池的電容可以從以下公式得出：

因此，C = 847 法拉和 f濾波器= 0.12mHz。ESR和電池接觸電阻之和（約100mΩ）將衰減限制在最大21dB，假設(shè)紋波源電阻（R濾波器） 等于 1Ω。實(shí)際電池的模型更為復(fù)雜，中央大容量電容由ESR、ESL和寄生電容修改。在實(shí)踐中，應(yīng)添加接近R的電容濾波器，從而為電池及其互連引線提供高于 250kHz （< 50mΩ） 的高頻輔助和低 ESR。附加 C 的典型值濾波器為 470nF。對(duì)于圖665的MAX10電路，增加C濾波器至1500μF可降低輸入電壓和電流紋波，如圖11所示。

結(jié)論

有幾種方法可用于降低電荷泵引起的輸入電源紋波的影響。例如，在數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的輸入電容外放置一個(gè)LC濾波器可為系統(tǒng)其余部分提供出色的電壓紋波保護(hù)（圖2），對(duì)整體轉(zhuǎn)換效率的影響最小。電池系統(tǒng)的有效替代方案是占用最小空間的簡(jiǎn)單串聯(lián)電阻 。該電阻器還適用于適合大存儲(chǔ)值 （> 10μF） 的非電池應(yīng)用。

審核編輯：郭婷