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本帖最后由 qrut 于 2023-4-9 16:28 编辑
常见dc-dc变换器有开关电感式和开关电容式等拓扑，应用最广泛的是开关电感式dc-dc变换器，例如buck boost sepic buck-boost 等等，开关电感式变换器效率高带载能力强，但是由于需要电感作为能量变换器件体积较大，电磁辐射较大。随着集成化小型化的需求开关电容式变换器近几年得到快速发展，凭借着极高的效率，使用开关电容代替电感作为能量变换器件，更适合小型化的趋势，使用开关电容的dc-dc变换器被称为电荷泵（Charge Pump）变换器，相比电感变换过程中的电磁辐射会小很多，整体噪声也要小很多，因此近年得到广泛应用，此贴介绍常见电荷泵的结构种类和基本原理及其应用场景。
常见电荷泵变换器有 反压电荷泵， 1：2升压 ，2:1降压 ，本帖主要介绍这三种。
me7660是一款反压电荷泵变换器，主要用来把输入正电压变换成等值的负电压。
下面是简介，可以把2.5-10v的正输入电压转换成对应负压输出
引脚和极限参数
下图是反压电荷泵基本原理，可以看到有4个开关和两颗电容，其中开关受脉冲控制，电容c1称为fly电容或者泵电容，c2并联在输出称为储能电容。
当s1和s3闭合时电源电压比如5v，经过s1 到c1上方 到c1下方 到s3 到地 形成回路给电容c1充电。
下一个脉冲时s2和s4闭合 s1和s3断开，则电容c1上方 会通过s2 到c2上方 到c2下方 到s4 到c1下方 形成回路，c1会给c2充电。此时c1就把能量转移到了c2身上，由于c2正极接地为参考点，所以c2负极就作为负压输出，且输出电压与正压绝对值基本相等。
通过开关的不同开通关闭组合使c1的电压转换到c2身上，c1就起到了泵电容的作用。
下图是7660的一些扩展应用，其中红框里的简易倍压扩展和下面将要说的倍压电荷泵有关因此会特别说明一下。
下面就是7660的简易倍压扩展，右侧红框的电路其实是迪克森电荷泵的基本结构，左侧的me7660此时只起到脉冲发生器的作用，通过2脚输出方波。
倍压的基本原理是当2脚为低电平时（0v） v+（假定5v）通过d1给c1充电，同时通过d1 d2给c2充电，此时c1电压为5v（暂不考虑二极管压降），c2为5v， 当2脚为高电平时（理想时幅值等于5v）会串联c1，此时c1两端电压不能突变，因此c1上端电位为5v+5v=10v，此时d1反偏截止，d2正偏导通， 10v会通过d2给c2充电，因此c2电位也变为10v。这就是迪克森倍压电荷泵基本原理，实际d1d2不可能为理想0压降，因此最终输出为2v+-2vf（二极管压降），且电压稳定到接近2倍也需要若干个振荡周期。
这种倍压电荷泵的缺点很明显，由于有二极管的参与因此效率不高，实际应用都会用mos管组成的转换电路降低损耗。
下面进行简单的测试和验证，一颗7660芯片
一块儿不相关的板子
两个强制嫁接在一起
嫁接完成
3.3v输入空载测试，静态电流电源最小分辨率测不到（几十ua级别）
输出负压空载3.295v ，所以开环空载输出电压精度约为99.8%
3.3v输入带载测试，输入功率0.025w
负压10ma输出电压跌落到2.381v，由于开环输出所以输出电压随负载电流变大而变小且不稳压，此时效率96%。
详细请看这里，手册里的关系曲线，从曲线图可以看出这款电荷泵负压芯片由于开环无反馈，因此保证输出电压不跌落到可用范围之外时的输出电流十分有限，大概5-10ma之内为好，效率也随着电流的加大而降低，因此为了保证高效也必须控制输出电流的大小。此款比较适合需要一个小电流负电压供电的场合，例如给运算放大器提供负电压或者液晶的负压，负压基准等等。
下图是1:2倍压电荷泵基本电路，也是由4个开关和两颗电容组成，其中cfly为飞电容（泵电容），cout为储能电容。
当s2 s3开通会按红线标注的电流路径给cfly充电，此时cfly充电到vin。
当s1 s4开通 vin会串联cfly（串联后为2倍vin）给cout充电，因此两组开关交替导通经过几个周期cout就会为2倍输入。
实际应用中会把开关换成mos，1:2倍压电荷泵拥有很高的效率。
hx4002是一款输入宽范围 输出稳压的倍压电荷泵（仅限开关电容部分属于1:2倍压电荷泵），一般倍压电荷泵要输入输出的关系是倍数关系，hx4002a（输出5v）输入却能在2.7-5v之间变化而输出保持5v不变，这是什么原因呢？后面会介绍
4002a拥有250ma最大输出电流，工作静态电流1ma左右，关断ua级别。
典型应用，常用在简易液晶背光驱动，4脚6脚之间就是fly电容，外围只需3颗电容电路结构简单成本很低。
参数，注意效率在vin2.7v out80ma时只有83%，这是为啥呢？后面也一起说。
hx4002手册并没有详细原理介绍，只有一张没有说明的框图，但是看了前面的电荷泵原理介绍，你会很容易理解其原理。
右下角红框其实和前面介绍的倍压电荷泵一模一样，箭头就是充电回路。
蓝色箭头就是串联放电回路，因此理论上输出等于输入2倍，效率也会很高，但是前面提到输入可以2.7-5.5v 效率也没多高，这是为什么？
这是因为为了实现宽输入范围，此ic输入加了一级线性限流电路，左下角的压控电阻，加入了这一级才能实现宽范围输入，打破输入输出倍数关系，但失去的是高效率，5v输出时最佳输入应该在2.5v左右（损耗原因一般略高一些），当输入4v时如果输入不限流（利用电阻压降）那输出就会是8v，4-2.5=1.5v的电压就需要加到输入的可变电阻上，才能保持输出5v不变，实际上电阻后的倍压电荷泵始终保持2.5v的输入。
所以说4002实现宽范围输入的原理靠的输入可变限流，这部分是线性损耗，因此输入输出压差越大效率越高（电阻上损耗小），反之越低。这点和boost dc-dc整相反。h4002稳压原理利用一颗运放，同相输入接基准，反向通过内部电阻分压后去输出取样，当电压升高就会控制输入的可变电阻阻值变大实现稳压。
下图是hx4002b（3,3v输出款）
下面用3.3v款做一下验证，外围只需三颗贴片陶瓷（图中0402封装）
可以搭棚到米粒大小
测试时随便找了块儿不相关的板子改了一下
先测试1.8v最低输入时的静态 1ma 和手册差不多。
空载输出3.3v左右
再测下最低输入电压下保持输出不变的最高输出电流，输入1.8v时
输出只能20ma，所以这种小电流电荷泵只适合小微电流负载，例如这款3.3v的就比较适合两粒干电池输出稳定3.3v的场合。
2.0v是输出电流能保持1半儿额定最低输入电压，下面会从2.0v不断提升输入电压，输出保持68ma不变，来验证一下输入电压变化时的转换效率。
2.0v输入0.278w
此时效率81.3
2.5v 0.345w
效率降到65.8
3v时0.414w
效率进一步降到54.8
输入实际可以高于输出，3.5v是极限输入参数，只测试时使用。
输入0.483w
效率已经跌到47了，通过验证 压差越小反而效率越低，和前面的理论分析相吻合。这种6脚宽输入电荷泵转换器只适合小电流场合，体积小才是最重要的，如果要提高效率且同时支持宽输入范围就需要对输入电压的控制方式作出改变，怎样改变呢？后面会介绍。
下图是2:1降压电荷泵的基本原理，2:1降压电荷泵的特点是输出电压是输入的一半，输出电流比输入电流大1倍。
下图s1到s8一共8个开关，初始时当s1 s2 s7 s8开通时 输入vin（比如10v） 沿红色标注电流通路给cfly1充电的同时为储能cout充电，另一路通过cfly1给cfly2充电，由于cfly1和cfly2等值，且同时给cout及负载充电，因此cfly1的电压会高于cfly2和cout（cfly1一多半vin，cfly2 cout 一少半） 。
下图用mos代替开关，s3,4,5,6 开通 ，前面说了，上个周期cfly1电压略高，因此会通过s3 s4 对cout放电，同时另一路输入10v反串cfly2通过s5 s6 也给cout充电，此时cfly1的电压会降低一点儿（更接近2分之1 vin）而cfly2电压由于反串充电，电压会升高一些（更接近2分之1vin）
再一个周期又返回到s1,2,7,8 开通，则cfly2通过s7 s8对cout充电，vin反串cfly1通过s1 s2 给cout充电，最终反复重复 cfly1和cfly2电压相等且为2分之1vin，每个周期cfly1和cfly2交替和cout并联，因此cout=cfly1=cfly2=2分之1 vin =5v ，由于输出电流由两路共同输出，因此出电流是输入电流的2倍，代价是电压降一半儿（能量守恒）
由于冷机启动电容电压为零输入会有冲击电流，因此可以采用下图的软启动电路。上电前将s3,4,7,8开通，这样三个电容相当于并联，此时通过一个电压为2分之1 vin的电流源对三个电容充电到2分之1 vin，这样当按照前面流程切换时cfly1 cfly2 的电压相等且之和为vin，冷机上电时第一个周期充电电流基本为零，避免了电流冲击，实现软启动。
下图是2:1降压电荷泵的典型应用（某米手机常用），手机大电流降压充电电路，采用sc8551降压电荷泵芯片，可以看到有两种充电模式，上半图就是2:1降压电荷泵原理示意图，可以看到也用了8颗mos 和两颗fly电容，基本原理和上面介绍的几乎一模一样。将高压小电流转换成低压大电流，前面提到升压电荷泵都是整倍数关系，降压电荷泵是2分之1倍数关系，为了实现高效率也必须满足这个条件，那手机电荷泵充电电路如何实现的高效率的同时，维持输入输出的倍数关系呢？答案就是手机电荷泵芯片利用pd协议或者私有协议的充电头输出电压可调特性来实现，假定根据设定充电电流需要电池端电压4v，手机会通过快充协议使充电头输出在8v左右（一般会略高一些），当需要3.7v就会调整充电头输出7.4v，以此类推。这样就既保持特定倍数关系的条件下，实现高效可变输出。
下面是典型效率，可以看到频率越高损耗越高，原因是开关频率越高mos开关损耗越高，频率越低开关损耗越低，但是电容esr越高，这样就需要更大的电容，因此外围体积就会越大，所以适当的频率是保证小体积高效率的关键。但是如下图频率从300khz到750khz 电流5a 效率都97%以上，可以说非常的高效。
说到这里，那有人会问了，那如果我的充电头不支持特定的快充可调协议，岂不是就不能充电了吗？这个问题芯片厂商早就为你想好了。
如下图（sc8551官方没有提供公开免费的完整资料，以下来源于网络的碎片搜集原理框图经过我的标注） 左右两部分，最左面type c 输入部分，slave charger 为电荷泵充电电路， 右侧master charger 为传统同步buck降压电路，实际上手机采用了两路充电电路，当检测到支持快充协议的充电头则启动电荷泵大电流充电，如果充电头只是普通5v充电头或qc快充头则启用同步buck充电电路，这样就可以既兼容电荷泵快充，又兼容普通5v充电。所以手机用普通非协议支持充电头充电电流会小很多，原因就是启用了内部buck降压充电电路，为了控制功耗只能减小充电电流。电荷泵高效小体积因此可以实现大电流快充。
下图是sc8551电荷泵充电芯片的基本充电流程，先开master charger 给手机提供基础充电电流和vbus检测，然后检测支持的快充协议，检测到支持会使充电头输出2倍的电池电压+余量（用于损耗），关闭master charger，打开slave charger电荷泵充电，当到达电池恒压阶段且充电电流降到截止电流时，关闭电荷泵同时再打开master charger 。
早期高通qc快充基本充电流程分析可以参考这里http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=2365242
此贴花费大量时间，如果对你有帮助请多支持~~~
完
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雷达卡
发表于 2023-4-9 12:50:26
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