稳压电荷泵和电感式DC/DC转换器的比较

电荷泵（也称为无电感式DC/DC转换器）是利用电容作为储能元件的特殊类型开关DC/DC转换器。与采用电感作为储能元件的电感式开关DC/DC转换器相比，电荷泵式转换器所具有的独特特点使其对于某些最终应用非常具有吸引力。本文将对比稳压电荷泵转换器与最常用的电感式DC/DC转换器（如电感式降压稳压器、升压稳压器以及单端初级电感式转换器（SEPIC））的结构和工作特点。

稳压式电荷泵转换器

最简单也是最常用到的电荷泵结构之一是倍压电荷泵。倍压电荷泵结构包括四个开关、一个用于存储和转移能量的外部电容（常称为"快速电容"），以及一个外部输出电容（常称为"储能电容"）。

图1是倍压电荷泵的结构图。这种倍压电荷泵的工作由两个阶段组成--充电（能量储存）和放电（能量转移）。

在充电阶段，开关S1/S3闭合（导通），S2/S4打开（关断）。快速电容CF被充电到输入电压VIN，并储存能量，储存的能量将在下一个放电阶段被转移。储能电容CR，在上一个放电周期就已经被从CF转移过来的能量充电到2VIN电压，并提供负载电流。

在放电阶段，开关S1/S3打开，S2/S4闭合。CF的电平被上移了VIN，而CF在上一充电阶段已经充电至VIN，因此CR两端的总电压现在成为2VIN（这也是"倍压"电荷泵名称的由来）。然后，CF放电将充电阶段存储的能量转移到CR，并且提供负载电流。

充电/放电周期的频率取决于时钟频率。通常倾向于采用较高的时钟频率来降低对快速电容和储能电容容值的要求，从而减小体积。

图1所示简单倍压电荷泵没有对输出电压进行稳压，因此其输出电压随着输入电压和负载的变化而变化。对需要稳压电源的应用，这并不合适。然而，只需要增加一个简单的反馈回路就可以容易地解决这一问题。图2给出了一个非常简单的、具有稳定输出的倍压电荷泵，通常称为"稳压式电荷泵"。

图2中，增加了一个开关S5来对开关S2/S4提供更多控制。由VOUT经过电阻R1和R2分压后与高精度电压参考源的差值确定比较器输出，并由这一输出来控制S5的状态。比较器通常都内置滞后特性，以防止出现振荡。比较器、电阻分压器、参考电压和S5开关共同构成了反馈回路。反馈回路通过控制放电阶段中开关S5和S2/S4的开关状态来调整电荷泵的输出电压。

在放电阶段，如果VOUT低于预设的稳压输出电压，比较器会闭合S5，从而闭合S2和S4.这样CF就可以将能量转移到CR和负载，从而使VOUT上升到预设电压。当VOUT达到预设电压时，比较器会打开S5，从而打开S2和S4，终止能量转移过程。如果VOUT在放电阶段无法上升到预设电压，那么S5、S2和S4会一直保持闭合状态直至放电阶段结束。

另一方面，如果VOUT高于预设的稳压输出电压，比较器会打开S5，从而S2和S4打开。这样这中止了CF将能量转移到CR和负载的过程，从而使VOUT下降到预设电压。如果在这一放电阶段VOUT无法下降到预设电压，那么S5、S2和S4会一直保持打开状态。

通过调整分压器中电阻R1和R2的阻值，稳压电荷泵可以输出地（0V）到2VIN之间的任意电压。也就是说，其输出电压既可高于输入电压，也可低于输入电压。需要说明的是，利用电感器作为储能元件的降压稳压器和升压稳压器等常用DC/DC转换器拓扑结构通常做不到这一点。

降压转换器和升压转换器

目前的电感式DC/DC转换器的工作方式绝大多数都是周期性的，其周期T由时钟频率控制。本文中为简化分析，我们仅考察连续电流模式工作的固定频率电感式DC/DC转换器。电感式DC/DC转换器的工作也包括两个阶段：开关导通（闭合）和开关关断（打开）。开关导通时间tON由反馈回路控制，导通时间由输出电压VOUT与预设电压之间的偏差值来决定。因此，开关关断持续时间为T- tON （参见图3）。

降压稳压器的工作原理一般非常易于理解。稳压输出电压表示为：

VOUT=VIN（tON/T）方程（1a）

方程1a还可以表示为：

VOUT=VIND方程（1b）

其中D为占空比，等于tON/T.

从方程1a和1b可容易看出降压稳压器的输出电压始终低于输入电压，因为占空比D始终小于1.图4给出了降压稳压器的结构。

升压稳压器的工作原理一般也非常容易理解，其稳压输出可表示为：

VOUT=VINT/（T-tON）方程（2a）

方程2a还可以表示为：

VOUT=VIN/（1-D）方程（2b）

因此升压转换器的输出电压始终高于输入电压，因为1/（1 - D）始终大于1.图5给出了升压稳压器的结构。

因此，对于需要稳压输出电压既可高于输入电压又可低于输入电压的应用，降压或升压稳压器都不太合适。

单端初级电感式转换器（SEPIC）

另一种应用日益广泛的电感式DC/DC转换器是SEPIC结构。其特点是输出的稳压电压既能够高于输入电压，也可以低于输入电压。

如图6所示，SEPIC与传统降压转换器和升压转换器的区别在于，采用两个外部电感（L1和L2）以及两个外部电容（CP和COUT）。SEPIC电源的工作也包括两个阶段，但对其工作方式的讨论不是非常广泛，因为相对更为复杂，而其应用也是近期才流行起来。