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構(gòu)建具有超低靜態(tài)電流的電荷泵

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:ADI ? 作者:ADI ? 2023-01-11 14:29 ? 次閱讀

將低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)與基準(zhǔn)和超低靜態(tài)電流比較器相結(jié)合,可產(chǎn)生一個分立元件穩(wěn)壓電荷泵,可提供 10mA 電流,靜態(tài)電流 (Iq) 僅為 7uA。

介紹

便攜式電池供電設(shè)備通常大部分時間處于待機(jī)模式,內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流會持續(xù)消耗電池。待機(jī)期間的靜態(tài)電流可能大于實(shí)際負(fù)載電流。雖然一些基于電感的轉(zhuǎn)換器提供驚人的低靜態(tài)電流(最大值<10uA),但對于必須本質(zhì)安全的成本敏感型設(shè)計,穩(wěn)壓電荷泵是首選(或必需的)。

具有 ≥10mA 輸出電流能力的現(xiàn)成穩(wěn)壓電荷泵的典型最小靜態(tài)電流為 50 至 100μA。如果該靜態(tài)電流水平不可接受,則可以通過添加遠(yuǎn)程監(jiān)控穩(wěn)壓并切換電荷泵關(guān)斷模式的電路來降低總體平均值。然而,這種方法可能無法達(dá)到理想的Iq水平(<10μA)。低R的出現(xiàn)上模擬開關(guān)、超低電流比較器和基準(zhǔn)使分立元件電荷泵的最大靜態(tài)電流約為7μA成為可能。

電荷泵使用交流耦合技術(shù)將能量從傳輸電容器傳輸?shù)酱鎯?a href="http://m.xsypw.cn/tags/電容/" target="_blank">電容器。傳輸電容首先通過模擬開關(guān)充電至V電平巴特,然后其他模擬開關(guān)將能量傳輸?shù)竭B接到 V 的存儲電容器外.然后轉(zhuǎn)換電容再次充電并重復(fù)循環(huán)。理想模擬開關(guān)具有零損耗,V外電平等于 2V巴特.然而,正如預(yù)期的那樣,模擬開關(guān)的有限R值上產(chǎn)生與負(fù)載電流成比例下降的輸出電平。

基本穩(wěn)壓電荷泵(圖1)包括一個振蕩器、多個模擬開關(guān)、一個基準(zhǔn)電壓源和一個比較器。比較器用作電壓監(jiān)視器和振蕩器。當(dāng)電路處于穩(wěn)壓狀態(tài)時,比較器輸出為低電平,這閉合了NC開關(guān),并允許C1充電至V巴特.當(dāng)電壓在V時外降至輸出調(diào)節(jié)門限(本例中為3.3V)以下時,比較器輸出變?yōu)楦唠娖健3i_開關(guān)關(guān)閉,將 C1 的電荷轉(zhuǎn)移到 C2。這個循環(huán)重復(fù),直到V外重新獲得監(jiān)管。

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圖1.低 IQ 穩(wěn)壓電荷泵。

電阻R3-R5形成振蕩所需的遲滯。它們的值 (1.0MΩ) 會產(chǎn)生顯著的遲滯水平,同時最小化 V巴特裝載。當(dāng)比較器輸出改變狀態(tài)時,反饋電阻R5通過移動施加于比較器IN+輸入的閾值來產(chǎn)生遲滯。對于所示電阻值,IC1 (1.182V) 和 V 的標(biāo)稱參考值巴特= 3.0V,VIN+ 閾值在 VIN+low = 0.39V 和 VIN+high = 1.39V 的近似值之間擺動。

當(dāng)電路處于穩(wěn)壓狀態(tài)時,VIN-略高于VIN+,比較器輸出低,電壓為V。外由R1/R2分壓器檢測,VIN+處的閾值很低(0.39V)。當(dāng)VIN+為0.39V時,R1和R2值可通過以下公式計算:

VIN+ = VOUT(R2/(R1+ R2)).

R1+R2的幅度應(yīng)大于1MΩ,以最小化V巴特裝載。如果 V外= 3.3V,R2選擇在2.2MΩ,R1計算在301kΩ。電容C3連接到比較器的IN輸入。與R1和R2一起,C3根據(jù)以下簡化關(guān)系設(shè)置振蕩頻率:

tdischarge = tlow = -R2*C3*ln(VIN+low/VIN+high).

tcharge = thigh = -R2*C3*ln(1 -((VIN+high -VIN+low)/(VBATT -Vin+low)).

fosc = 1/tperiod, where tperiod = tlow + thigh.

為了最大限度地提高效率并降低比較器壓擺率的影響,應(yīng)設(shè)置相對較低的頻率。選擇 C3 = 470pF 得到以下結(jié)果:

tlow = 178μsec and thigh = 68μsec; thus fosc = 4.0kHz.

選擇C1和C2的值以實(shí)現(xiàn)所需的負(fù)載電流和紋波。對于此應(yīng)用程序(I負(fù)荷= 10mA),選擇 C1 = 10μF。要計算C2的值,請根據(jù)所需的紋波電壓進(jìn)行近似:

C2 = (Iload * tlow)/Vripple.

With Iload = 10mA and Vripple = 150mV, C2 = 12μF.

如圖所示的元件值,該電路的最大Iq為6.9μA,與現(xiàn)成的電荷泵相比有了相當(dāng)大的改進(jìn)。您可以通過增加電阻值來進(jìn)一步降低Iq值,但這種影響很小,因?yàn)镮C2的靜態(tài)電流(最大值為3.8μA)在總電流中占主導(dǎo)地位。該電路允許您實(shí)現(xiàn)一個超低Iq穩(wěn)壓電荷泵。在提供現(xiàn)成選項之前,它為尋求在不使用電感器的情況下實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計的設(shè)計人員提供了一種替代方案。

審核編輯:郭婷

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