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所需的電壓軌。

　　使用外部充電泵是從升壓轉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，正負均可，并且可以為需要兩個(gè)或更多電壓的任何應用供電。例如，具有唯一 5V 輸入電源線(xiàn)的單通道升壓轉換器可以提供 TFT-LCD 應用所必需的所有三種主電壓（+27V、-7V 和 15V）。運算放大器所要求的+/- 5V電源電壓也可以生成 3.3V 的電源。

圖 1 針對 TFT LCD 的 5V～15V 典型應用電壓（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構，在調低至電壓 VGH (27V) 以適合此應用之前，該結構所提供的電壓最多可 3 倍于升壓轉換器的輸出電壓 VS，即 45V。在這種情況下，負充電泵的穩壓級會(huì )將輸出電壓 VGL 從升壓轉換器所生成的 -15V 電壓調節至 -7 V。

　　理想情況

　　正充電泵

　　圖 2 顯示了典型應用中的正充電泵驅動(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)明介紹了穩態(tài)運行時(shí)的充電泵行為，其內容簡(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，并且就在此處測量流入到電容 C1 和 C2 中的電流。

　　導通期間，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 負載電流為電路供電。

　　關(guān)斷期間，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓 VSW 變?yōu)楦唠娖?，增加了飛跨電容 C1 和 C2 中的儲能，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（導通期間，在其終端兩端的電壓下降后）。同樣，D4 也會(huì )導通，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 負載電流為輸出電路供電。

　　最后，在關(guān)斷期間，電感為升壓轉換器的飛跨電容和輸出電容分別提供 80mA 和 40mA 的電流，在導通期間將放電至 C1。這樣一來(lái)，升壓轉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。

　　負充電泵

　　外部負充電泵的工作也分為兩個(gè)級（充電泵級和穩壓級）。充電泵可提供一個(gè)負輸出電壓 –VS（請參見(jiàn)圖 1），然后穩壓級將輸出電壓 VGL 調節至所需電平。您可以從圖 3 深入了解充電泵驅動(dòng)器的工作原理。

圖 3 外部負充電泵——理想情況

　　下面的說(shuō)明介紹了穩態(tài)運行時(shí)的負充電泵行為，其也假定所有組件都很理想，并且升壓轉換器的占空比為 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 的輸出負載電流。

　　導通期間，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，升壓轉換器所提供的平均電流就等于負充電泵輸出電流的 2 倍，即 40mA。

　　穩壓級

　　穩壓級具有可選的輸出電壓，用戶(hù)可根據其具體應用，靈活選擇相應的輸出電壓。

　　我們已介紹了正負充電泵如何構建其電壓。下一級（請參見(jiàn)圖4）類(lèi)似于正負充電泵，可以通過(guò)將多余的能量耗散到雙極管中來(lái)調節輸出電壓 VGH 和 VGL。

　　齊納二級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 顯示了穩壓級前后所測量出的輸出電壓穩壓?？梢钥吹?，只要 VCPP 和 VCPN 上生成的電壓一直高于穩定輸出電壓，增加了晶體管壓降，系統就會(huì )得到穩壓。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整個(gè)電流消耗的總和，該值不應超過(guò)升壓轉換器的電流限制。

　　也可以使用諸如 TL432 之類(lèi)的并聯(lián)穩壓器，而不是使用圖 4 結構進(jìn)行穩壓調節。

圖 4 正電荷泵穩壓級

圖 5 穩定的輸出電壓

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