構(gòu)建具有超低靜態(tài)電流的電荷泵

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(gè)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(shí)間處于待機(jī)模式，內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流會(huì)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(duì)于必須本質(zhì)安全的成本敏感型設(shè)計(jì)，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(guò)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(lái)降低總體平均值。然而，這種方法可能無(wú)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?chǔ)電容器。傳輸電容首先通過(guò)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(chǔ)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(gè)振蕩器、多個(gè)模擬開關(guān)、一個(gè)基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)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(shí)，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(shí)外降至輸出調(diào)節(jié)門限（本例中為3.3V）以下時(shí)，比較器輸出變?yōu)楦唠娖?。常開開關(guān)關(guān)閉，將 C1 的電荷轉(zhuǎn)移到 C2。這個(gè)循環(huán)重復(fù)，直到V外重新獲得監(jiān)管。

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(huì)產(chǎn)生顯著的遲滯水平，同時(shí)最小化 V巴特裝載。當(dāng)比較器輸出改變狀態(tài)時(shí)，反饋電阻R5通過(guò)移動(dòng)施加于比較器IN+輸入的閾值來(lái)產(chǎn)生遲滯。對(duì)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(dòng)。

當(dāng)電路處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)，VIN-略高于VIN+，比較器輸出低，電壓為V。外由R1/R2分壓器檢測(cè)，VIN+處的閾值很低（0.39V）。當(dāng)VIN+為0.39V時(shí)，R1和R2值可通過(guò)以下公式計(jì)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(jì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)于此應(yīng)用程序（I負(fù)荷= 10mA），選擇 C1 = 10μF。要計(jì)算C2的值，請(qǐng)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(guò)增加電阻值來(lái)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(gè)超低Iq穩(wěn)壓電荷泵。在提供現(xiàn)成選項(xiàng)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(jì)的設(shè)計(jì)人員提供了一種替代方案。

審核編輯：郭婷