【導讀】本文圍繞電源管理技巧，介紹一種生成中間總線電壓的替代方法，即采用大功率電荷泵取代降壓型穩壓器。相較于基于電感器的降壓調節方式，使用電荷泵可實現更高的轉換效率。本文重點闡述運用電荷泵技術進行電壓轉換的諸多益處。
引言
在傳統的電源系統中，降壓型穩壓器通常用于將較高電壓轉換為較低電壓。然而，當需要未經調節的中間電壓軌時，電荷泵這一種替代技術可派上用場。它無需電感器元件，不僅能實現更高的轉換效率，還能節省成本。
利用電荷泵生成中間電壓軌
中間電壓軌在電源架構中扮演著關鍵角色。它使得額定電壓較低的電源轉換器IC得以應用，并且能讓降壓穩壓器實現更高效的電壓轉換階段。與直接從非常高的電源電壓進行電壓轉換相比，降壓穩壓器在這種情況下能夠以更有利的占空比運行。圖1展示了一個12 V電源電壓的電源架構，其中生成了一個6 V的中間電壓。鑒于中間電壓軌并不直接為系統所用，因此無需進行穩壓調節。相反，各自的第二級電源轉換階段會利用負載點降壓穩壓器，將中間電壓軌的電壓轉換為系統所需的電源電壓。
圖1.在12 V系統中使用6 V的中間電壓。
為了生成中間總線電壓，可采用配備電感器的降壓式開關模式穩壓器（降壓型穩壓器），其轉換效率可達約為90%。電荷泵技術則提供了一種高效的替代方案。
LTC7825電荷泵轉換器實現了出色的效率。在從12 V轉換為6 V的過程中，當負載電流為5 A(30 W)時，其效率達到97.5%；當負載電流為10 A(60 W)時，其效率接近96%。
之所以能夠達到如此高的效率，得益于集成電荷泵開關所用的精密控制系統。這種設計方案還實現了出色的電磁兼容性(EMC)。
圖2.使用電荷泵生成中間總線電壓的簡化電路圖。
圖2展示了電荷泵電路的簡化電路圖。該電路的運行無需依賴控制環路。其輸出電壓穩定在6V，與12V的輸入電壓緊密相關，且始終維持在輸入電壓的一半。這種無控制環路、自由運行的電壓轉換技術，不僅實現了極高的效率，還具備低EMC特性。此外，該電路還具備一個顯著優勢，即無需使用電感器。要知道，在高負載電流情況下，電感器不僅體積龐大，而且成本高昂。
圖3是在ADI公司的仿真程序LTspice?中搭建的采用LTC7825的電荷泵電路。這款出色的軟件工具能夠對電荷泵拓撲結構進行精準仿真，幫助使用者深入洞悉這類電路的特性與局限之處。
圖3.使用LTspice對LTC7825電路進行研究。
盡管電荷泵在傳統應用中主要用于低功率場景，但借助LTC7825這樣的新型器件，電荷泵能夠適用于更高功率的工作環境，功率上限可達100 W。而當面臨更高的功率需求時，LTC7820可以作為一款配備外部開關的控制器投入使用。
結論
如果電壓轉換無需精確穩壓且輸出電壓應為現有電源電壓的一半，電荷泵電路不僅可以提供更高的效率和出色的電磁兼容性，還能省去對電感器的需求。
作者簡介
Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，進而積累了不少經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。
