如何使用外部充電泵生成輔助電壓

本文將闡述如何使用外部充電泵從單通道升壓轉(zhuǎn)換器（如 TI 生產(chǎn)的 TPS61087）生成兩個(gè)額外電壓。文中示例將使讀者初步了解充電泵，并借助高性?xún)r(jià)比的解決方案，使這些充電泵能夠生成系統(tǒng)所需的電壓軌。

　　使用外部充電泵是從升壓轉(zhuǎn)換器生成輔助電壓軌的一種靈活易用的方法。這些電壓軌理論上可以是任何電壓，正負(fù)均可，并且可以為需要兩個(gè)或更多電壓的任何應(yīng)用供電。例如，具有唯一 5V 輸入電源線(xiàn)的單通道升壓轉(zhuǎn)換器可以提供 TFT-LCD 應(yīng)用所必需的所有三種主電壓（+27V、-7V 和 15V）。運(yùn)算放大器所要求的+/- 5V電源電壓也可以生成 3.3V 的電源。

圖 1 針對(duì) TFT LCD 的 5V～15V 典型應(yīng)用電壓（fsw=1.2MHz），其采用外部充電泵（VGH、VGL）

　　圖 1 顯示了一種外部正充電泵結(jié)構(gòu)，在調(diào)低至電壓 VGH (27V) 以適合此應(yīng)用之前，該結(jié)構(gòu)所提供的電壓最多可 3 倍于升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 VS，即 45V。在這種情況下，負(fù)充電泵的穩(wěn)壓級(jí)會(huì)將輸出電壓 VGL 從升壓轉(zhuǎn)換器所生成的 -15V 電壓調(diào)節(jié)至 -7 V。

　　理想情況

　　正充電泵

　　圖 2 顯示了典型應(yīng)用中的正充電泵驅(qū)動(dòng)器電路，其將在倍壓模式下生成 2 倍于 VS 的電壓。您可以從該圖深入了解充電泵驅(qū)動(dòng)器的工作原理。下列研究基于三倍壓模式。

圖 2 外部正充電泵——理想情況

　　下面的說(shuō)明介紹了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的充電泵行為，其內(nèi)容簡(jiǎn)單易懂。首先，我們假定所有組件都很理想，并且升壓轉(zhuǎn)換器的占空比為 50%。圖 2 中 R1 的電阻為 0 歐姆，并且就在此處測(cè)量流入到電容 C1 和 C2 中的電流。

　　導(dǎo)通期間，由于 VSW=0V，飛跨電容 C1 可通過(guò)二極管 D1 充電至 VS。同樣，儲(chǔ)能電容 C3 也同時(shí)通過(guò) D3 充電至 2 倍 VS。二極管 D2 與 D4 均被阻斷。由于不再提供輸出 VCPP，因此輸出電容 C4 不得不通過(guò)必需的 20mA 負(fù)載電流為電路供電。

　　關(guān)斷期間，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓 VSW 變?yōu)楦唠娖?，增加了飛跨電容 C1 和 C2 中的儲(chǔ)能，并將 C3 和 C4 分別提升至 2 倍 VS 和 3 倍 VS（VSW=VS 時(shí)）。二極管 D2 變?yōu)檎蚱?，并使電流流入?C3 中，最多可將其充電至 2 倍 VS（導(dǎo)通期間，在其終端兩端的電壓下降后）。同樣，D4 也會(huì)導(dǎo)通，并且 C3 將輸出電容回充至 3 倍VS，與此同時(shí)，通過(guò)必需的 20mA 負(fù)載電流為輸出電路供電。

　　最后，在關(guān)斷期間，電感為升壓轉(zhuǎn)換器的飛跨電容和輸出電容分別提供 80mA 和 40mA 的電流，在導(dǎo)通期間將放電至 C1。這樣一來(lái)，升壓轉(zhuǎn)換器所提供的電流平均起來(lái)就等于正充電泵輸出電流的 3倍，即 60mA。

　　負(fù)充電泵

　　外部負(fù)充電泵的工作也分為兩個(gè)級(jí)（充電泵級(jí)和穩(wěn)壓級(jí)）。充電泵可提供一個(gè)負(fù)輸出電壓 –VS（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1），然后穩(wěn)壓級(jí)將輸出電壓 VGL 調(diào)節(jié)至所需電平。您可以從圖 3 深入了解充電泵驅(qū)動(dòng)器的工作原理。

圖 3 外部負(fù)充電泵——理想情況

　　下面的說(shuō)明介紹了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的負(fù)充電泵行為，其也假定所有組件都很理想，并且升壓轉(zhuǎn)換器的占空比為 50%，R1 的電阻值為 0 歐姆。

　　開(kāi)始為關(guān)斷期間，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓 VS 為高電平，飛跨電容 C6 通過(guò) D6 充電至 VSW =VS。其中，輸出電容 C7 可提供 20 mA 的輸出負(fù)載電流。

　　導(dǎo)通期間，由于 VSW = 0V，先前飛跨電容 C6 的正極終端將被拉至接地，并且儲(chǔ)能電壓下移（偏移量為 –VS）。這樣一來(lái)，二極管 D7 就變?yōu)檎蚱?，從而允許電流流動(dòng)并為輸出電路供電。

　　與正充電泵的方式類(lèi)似，在此示例中，VCPN 上提供的電流為 20mA，升壓轉(zhuǎn)換器所提供的平均電流就等于負(fù)充電泵輸出電流的 2 倍，即 40mA。

　　穩(wěn)壓級(jí)

　　穩(wěn)壓級(jí)具有可選的輸出電壓，用戶(hù)可根據(jù)其具體應(yīng)用，靈活選擇相應(yīng)的輸出電壓。

　　我們已介紹了正負(fù)充電泵如何構(gòu)建其電壓。下一級(jí)（請(qǐng)參見(jiàn)圖4）類(lèi)似于正負(fù)充電泵，可以通過(guò)將多余的能量耗散到雙極管中來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓 VGH 和 VGL。

　　齊納二級(jí)管將電壓鉗位控制在所需的輸出值，并且也使用雙極管來(lái)降低電流消耗。最后，VGH 和 VGL 上的輸出電壓將等于 VZ -Vbe。圖 5a 和 5b 顯示了穩(wěn)壓級(jí)前后所測(cè)量出的輸出電壓穩(wěn)壓。可以看到，只要 VCPP 和 VCPN 上生成的電壓一直高于穩(wěn)定輸出電壓，增加了晶體管壓降，系統(tǒng)就會(huì)得到穩(wěn)壓。例如，通過(guò)將充電泵從三倍壓提升到四倍壓模式并根據(jù)電流和電壓選擇器件，就能利用合適的額定組件生成更多的電能。最大可能的輸出電流也取決于系統(tǒng)整個(gè)電流消耗的總和，該值不應(yīng)超過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器的電流限制。

　　也可以使用諸如 TL432 之類(lèi)的并聯(lián)穩(wěn)壓器，而不是使用圖 4 結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

圖 4 正電荷泵穩(wěn)壓級(jí)

圖 5 穩(wěn)定的輸出電壓

　　外部充電泵的優(yōu)勢(shì)在于性?xún)r(jià)比高，且為用戶(hù)提供了極大的靈活性。采用獨(dú)立的升壓轉(zhuǎn)換器（例如 TI 的 TPS61085 或 TPS61087）以及仿真工具 TinaTI? 進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，可以很輕松地獲得大功率的正/負(fù)充電泵。