电荷泵@@（Charge pump）是@@“开关电容技术@@@@”的众多应用中的一种@@。采用@@开关电容设计出来的@@DC/DC变换器也叫做@@电荷泵@@电源@@。电荷泵@@电源具有近乎无损@@、超小型化@@@@、并能缩小下游应用中功率模块等@@优势@@。
村田@@将@@Charge Pump应用在@@Buck转换器@@上有多项创新之处@@，并带来多项好处@@。近期在深圳举办的高性能电源技术@@分享与实战技术@@研讨会上@@，村田@@展示了其独特的电荷泵@@技术@@@@及产品@@，并详细介绍了开关电容技术@@@@在降压@@型直流转换器@@中的应用以及村田@@的几款@@Charge Pump产品和@@村田@@的非隔离模块产品线@@。
什么是@@电荷泵@@@@
一个简单的电荷泵@@电源@@
电荷泵@@利用开关电容充放电不同的连接方式@@，以非常简单的电路实现@@DC/DC的升压@@、降压@@、负压等@@变换器功能@@。比如@@上图@@这个最简单的电荷泵@@电源@@，就可以用来实现@@1/2降压@@的功能@@。
简单来说@@，开关电容技术@@@@巧妙应用了开关的压差@@，通过切换开关将串联的电容@@变为@@并联@@，从而完成降压@@并提高@@功率密度@@(上图@@)。
与基于电感@@的开关电源变换器相比@@，电荷泵@@尺寸小@@，没有电感@@器@@和@@变压器所带的磁场和@@@@EMI干扰@@；而且@@，尤其是@@在集成电路中@@，与电感@@@@、变压器相比@@，电容更容易与芯片集成@@。
然而@@，容性转换会出现巨大损耗@@。
容性转换损耗@@
传统的@@利用电容电荷交换为@@放电电容充电的容性功率转换会出现巨大损耗@@。举例来说@@，一个电压为@@@@V的电容@@C，给另外@@一个电压为@@@@@@0，容量同样为@@@@C的电容@@充电@@。
- 充电前@@，两者的能量总和@@为@@第一个电容的能量@@，1/2*C*V^2；
- 充电后@@，电荷重新分布@@，两个电容的电压均为@@@@1/2*V，两个电容的能量总和@@为@@@@1/4*C*V^2。
容性功率转换导致出现巨大损耗@@
损失了一半的能量@@！而且@@，可以看出@@，即使是@@理想开关的情况下也都是@@有损的@@，损耗和@@两电容之间的开关的导通电阻无关@@。
这个损耗@@，叫做@@”Charge Redistribution Loss”，就是@@@@“电荷再分布损耗@@”。只要两个电容在有压差的情况下@@，进行了电荷传输@@，就会有损耗@@。这类似两个木桶里有不同高度的水位@@，把两桶水位平均后水的总量没有变@@，但是@@@@水的势能改变了@@。
但是@@@@，有人会问@@：
理想开关的导通电阻是@@@@0，怎么还会有损耗呢@@？这个损耗@@到底去哪了@@？
当@@理想开关导通电阻为@@@@0时@@，电阻两端电压不为@@@@0，导通电流无穷大@@。零乘无穷大的结果是@@一个常数@@。
其实@@，这个损耗@@归根到底还是@@导通损耗@@。
开关导致能量损耗@@
上图@@显示的是@@一个电压源在有压差的情况下硬开关的导致出现损耗@@。粉红色的是@@电压源的电压@@，保持不变@@；淡蓝色的是@@被充电的电容@@的电压@@，逐渐建立起来的过程@@。右边显示的绿色线是@@充电电流@@。粉色的电压源电压减去淡蓝色的电容@@电压@@，就是@@@@开关两端的压差@@，与电流的乘积@@，就是@@@@导通损耗@@。
如何消除或@@减小@@导通损耗@@
有多种方法@@，来消除或@@者@@减小@@这个导通损耗@@。比如@@下图@@中@@，采用@@ZVS的软开关技术@@@@，使用@@电流源来给电容充电@@。电流源的电压与被充电的电容@@保持同步@@，开关两端没有压差@@，从而消除导通损耗@@。
村田@@解决方案@@
村田@@制作所@@2017年@@收购了由麻省理工学院成立的新创企业@@Arctic Sand。Arctic Sand在开关电容技术@@@@及其创新拓扑方面拥有超过@@125项专利@@。利用这些创新的专利技术@@@@，以及制程的垂直整合@@，村制造出更小更薄的电源模块@@，同时@@@@具有优秀的@@电磁兼容性能@@，以满足业界领先的高标准需求@@。
村田@@在常见非隔离模块设计上创新地提出灵活的@@2级@@管道@@电源架构@@。将开关电容网@@络和@@@@Buck或@@者@@Boost级@@的模块灵活的组合起来@@。
独特架构为@@器件带来诸多优势@@：
- 减小@@>50%占板面积@@
- 组件厚度降低@@50%+
- 大大降低功率损耗@@
- 优秀的@@EMI抗辐射干扰@@能力@@
- 更小文波输入电流@@
- ... ...
村田@@电荷泵@@创新的@@2级@@管道@@电源架构@@
村田@@电荷泵@@的高度灵活的多级@@架构@@@@，包含有专利的@@“管道@@”级@@开关电容网@@络@@，以及后接的@@buck或@@者@@boost级@@。其中@@，第一级@@的电荷泵@@几乎是@@无损的@@，而且@@效率与输入和@@输出@@的电压差几乎无关@@。
因为@@电荷泵@@中的电容@@做了大部分工作@@，使得第二级@@的@@buck电路可以极大的减小@@输出@@滤波电感@@的尺寸@@，同时@@@@，第二级@@的输入电压降低了@@，可以利用标准@@CMOS工艺制作的低压开关管@@。使用@@两级@@架构@@@@，除了减小@@尺寸@@，还可以带来其它好处@@(详情参考演讲@@PPT)，例如@@：
- 更小的输入纹波电流和@@辐射干扰@@水平@@；
- 更高的效率且可高达@@@@20MHz的开关频率@@；
- 更大的占空比@@；
- 小尺寸低感值可以提供更快的动态响应@@，工作在更高的开关频率@@等@@@@。
电源转换模块使用@@电荷泵@@技术@@@@有哪些优势@@
随着@@5G和@@IoT应用市场扩大@@，边缘计算@@、深度学习中@@AI技术@@也迅速发展@@，基站@@、服务器@@、边缘处理设备@@高速处理的数据量激增@@，对@@IT设备@@的高功能@@、高密度化的要求急速高涨@@，设备@@内大规模集成电路芯片@@(LSI)性能不断提高@@@@，为@@LSI芯片提供动力的传统电源电路方案相应显得捉襟见肘@@。
通常@@，配套线路板上不同搭载@@IC的固有工作电压范围是@@各不相同的@@。由于电压精度要求各异@@，电压不稳定的电源供电会发生失灵等@@问题@@，需要@@DC-DC转换器@@将直流转换为@@不同电压或@@保持电压稳定@@。比如@@，配置在微处理器@@、DSP、FPGA、ASIC等@@LSI附近的@@DC-DC降压@@型直流变换器@@(下图@@，也就是@@@@常说的@@POL，Point of Load)。
一般的电源配置示意图@@
这些年@@@@，为@@LSI供电的电源电路的电压在降低@@，电流在增大@@。然而@@，降低电压后@@，防止@@LSI失灵需要@@提高@@电压精度并在负载变化时@@能够高速响应@@@@；而增大电流后@@，LDO变成开关电源@@，即便之前的设计可以做到既小型又简易@@，现在却也变得难以设计了@@。LDO变成开关电源@@，EMI噪声和@@纹波问题怎么解决@@？
由于电源电路通常@@占主板面积的@@30～50％，设计师还越来越为@@空间@@严重不够而大伤脑筋@@：空间@@相同@@，功耗增加@@，PCB散热怎么办@@？
鉴于上述这些原因@@，越来越多的应用中要求@@POL直流转换必须满足更高的要求@@：
- 电压精度高@@
- 过载响应快@@
- EMI噪声低@@
- 小型化@@
应用电荷泵@@技术@@@@@@，可以满足上述@@POL直流转换的要求@@。
应用电荷泵@@技术@@@@@@的村田@@电源产品@@
村田@@公司研发了既能削减包括周边电路在内的贴装总面积@@，电压转换效率又出色@@、两全其美的本产品@@——MonoBK DC-DC转换器@@。村田@@MonoBK直流转换器@@系列@@产品的优异特性和@@竞争优势的一个秘密是@@融合特有的@@“电荷泵@@技术@@@@”传统的@@DC-DC转换器@@电路的新方式@@“2阶结构@@”。
当@@DC-DC转换器@@模块@@是@@将电源@@IC、电感@@器@@、电容器等@@封装@@成一个的产品时@@@@，大部分体积为@@电感@@器@@所占@@。一般来说@@，要变换效率高@@，就需要@@大尺寸电感@@器@@@@，所以@@DC-DC转换器@@也就大@@；要优先确保空间@@@@，使用@@小型电感@@器@@@@，则电压转换效率变低@@。此外在输入电压与输出@@电压之差较大的应用中@@，由于占空比非常小@@，其影响出现在电源输入线@@，故为@@了降噪也需要@@大型滤波电路@@。
正是@@因为@@使用@@了电荷泵@@技术@@@@@@，通过以小幅电压阶跃降低输入电压@@，从而能使用@@低耐压@@FET，减轻对@@各个电感@@器@@的依赖度@@，从而实现了小型且高电压转换效率的@@DC-DC转换器@@。而且@@由于经降压@@的电压为@@@@DC-DC转换器@@电路的实际输入电压@@，故也解决了因输入电压与输出@@电压之差所造成的占空比问题@@。
MonoBK整合了村田@@@@MLCC、电感@@188足彩外围@@app 和@@丰富得电路技术@@优势@@，使用@@独特的@@3D结构设计和@@成型加工技术@@@@，减少外置元器件@@，将电源组件方案小型化@@@@。DC-DC转换器@@低噪声@@，高速响应@@，使用@@MonoBK方案还可以减少滤波器使用@@@@，简化设计@@。另外@@，使用@@MonoBK的方案稳定@@，适合高温运作环境@@。
MonoBK的四大优势@@
村田@@MonoBK产品阵容@@
MYTN系列@@
2020年@@，村田@@制作所@@MonoBK产品阵容@@新增了一个系列@@@@，即贴装面积超小电压转换效率超高的@@DC-DC转换器@@模块@@UltraBK™ MYTN系列@@。
村田@@UltraBK™ MYTN系列@@
村田@@UltraBK™ MYTN系列@@的应用@@
UltraBK™ MYTN系列@@主要特点包括@@:
- 2/3电池芯串联@@& 12V 总线电压输入@@
- 90% 峰值效率@@(12VN/1.8VOUT)
- 超低高度@@(2.1mm最大值@@) 封装@@
- 可达@@6A输出@@
- 低噪声电荷泵@@@@2级@@架构@@
MYC0300 / 独立电荷泵@@模块@@@@
MYC0300 电荷泵@@模块@@
MYC0300电荷泵@@模块@@的特色包括@@:
- 高达@@97%的峰值效率@@@@
- 超低高度@@(2.0mm) 封装@@
- 高达@@10A 或@@45W 输出@@
- 适用于@@2/3 芯电池串联@@& 12V 总线输入电压@@
- 电压变比可设为@@@@2 & 3
- 所需外围器件极少@@
- 可并联输出@@@@
适用于@@48V架构的电荷泵@@模块@@@@MYC0400
更多产品详情介绍@@，请下载演讲@@PPT资料@@！了解更多有关@@：
- 电荷泵@@电源原理@@
- 村田@@电荷泵@@的独到之处@@
- 村田@@电荷泵@@家族产品@@
- 村田@@使用@@电荷泵@@技术@@@@的非隔离电源模块产品线@@
文章来源@@：Murata村田@@中国@@