电荷泵电源的工作原理及应用方案

最近太忙了，晚上加班回到家就想睡觉，电脑都不想打开，所以很多同学的留言来不及查看;不过天气确实凉快多了，这样睡得比较舒服。

这次一起学习开关电源的一种类型：电荷泵电源以及它在BMS上面的应用。

什么是电荷泵?

来自百度的解释为：电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。电荷泵电路的电效率很高，约为90-95%，而电路也相当的简单。(图片来自于ON官网)

工作原理

电荷泵电源的原理可以参照下图来理解(图片来自TI官网)：在充电阶段，开关S1和S4断开，开关S2和S3闭合;电流流过S2和S3，并将电容CFLY充电至电压VI。

在放电阶段，开关S1和S4闭合，开关S2和S3断开。CFLY的负极接到电源VI，所以正极处的电平等于两倍的VI;电流从VI流过电容CFLY和开关S1和S4;电荷从CFLY转移到输出电容器CO，以产生大约等于2VI的输出电压。

上面是两倍电压输出的形式，电荷泵还有一种常用的形式为负电压输出(图片来自TI官网)，首先闭合S1和S4，电源VI给电容CFLY充电;然后断开S1S4，而闭合S2和S3，此时电容CFLY的正极接到了GND，而负极接到了负载电容CO，这样就实现了电压正负的翻转，对外输出电压为-VI。

上面这两种形式的不同点是开关S3与S4的接法，大家稍微研究下就会明白，电荷泵电路变化的地方也就在此，而且有些电荷泵芯片把内部几个开关的接法固定了;另外，这两种形式都是开环的方式，即没有输出的反馈调节，例如MAXIM的一款电荷泵芯片MAX16945，它的输出就是非稳压类型。

也有很多电荷泵芯片内部增加了反馈回路，例如TI的LM2775，内部集成了误差放大器，它用来调节内部的电流源而实现稳压。

电荷泵方案应用在负载不大、需要升压或负电压的场合时，成本以及方案复杂度比较有优势。

电荷泵在BMS上面的应用

1、负电压供电

BMS上有些会通过运放来搭建运算电路，此时运放可能会需要正负电源同时供电，这里使用电荷泵来实现负压就是一个比较好的方案。(图片来源于网络)

2、倍压电路

BMS上面有些地方可能需要稍微高一些的电源电压，但是负载却很小，例如用来驱动MOS等等，此时电荷泵就是一个比较好的选择。

一种方案是通过电荷泵芯片可以直接实现几倍的升压，例如下图的三倍升压电路(来自ON的NCP1729)，外部通过二极管与电容的简单串并联就可以实现;NCP1729内部开关的接法是实现负电压输出，所以想要实现倍压电路，就需要外部增加二极管来配合，接法就是二极管正极接电源，电容接开关，开关可以实现地与电源的切换即可。

还有一种方案，就是不使用电荷泵芯片，而借用开关电源的开关节点来实现，如下图(图片来自于TI官网)：在BOOST电路的基础上，在输出端连接二极管，而在开关节点SW处连接电容(下图中的RFLY是为了增加电荷泵的输出电阻用来限流)。

3、AFE内部供电

最后就是在电芯单体采样的AFE内部也存在电荷泵电路，典型代表就是MAXIM的MAX178XX系列;例如在MAX17854里面集成了这样一个电荷泵，输出端为HV引脚，它比DCIN会高6.9V左右，用于给内部的多路复用选通开关供电;电荷泵电路内部集成两个开关，一路可以接到地，另外一路可以接到DCIN，电容CCP就是CFLY。

注意HV引脚外部的RC接到了DCIN引脚，没有接到地，因为这里不需要实现倍压，只比DCIN电平高一些即可;实际应用电路中这个电阻选取了10Ω左右，应该是用于电容充电时限流的，否则可能损坏AFE内部。

　　审核编辑：汤梓红