電荷泵電源以及在BMS上面的應用

這次一起學習開關電源的一種類型：電荷泵電源以及它在BMS上面的應用。

什么是電荷泵？

來自百度的解釋為：電荷泵，也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC(變換器)。電荷泵電路的電效率很高，約為90-95%，而電路也相當的簡單。

（圖片來自于ON官網）

工作原理

電荷泵電源的原理可以參照下圖來理解：在充電階段，開關S1和S4斷開，開關S2和S3閉合；電流流過S2和S3，并將電容CFLY充電至電壓VI。

在放電階段，開關S1和S4閉合，開關S2和S3斷開。CFLY的負極接到電源VI，所以正極處的電平等于兩倍的VI；電流從VI流過電容CFLY和開關S1和S4；電荷從CFLY轉移到輸出電容器CO，以產生大約等于2VI的輸出電壓。

（圖片來自TI官網）

上面是兩倍電壓輸出的形式，電荷泵還有一種常用的形式為負電壓輸出，首先閉合S1和S4，電源VI給電容CFLY充電；然后斷開S1\S4，而閉合S2和S3，此時電容CFLY的正極接到了GND，而負極接到了負載電容CO，這樣就實現了電壓正負的翻轉，對外輸出電壓為-VI。

（圖片來自TI官網）

上面這兩種形式的不同點是開關S3與S4的接法，大家稍微研究下就會明白，電荷泵電路變化的地方也就在此，而且有些電荷泵芯片把內部幾個開關的接法固定了；另外，這兩種形式都是開環(huán)的方式，即沒有輸出的反饋調節(jié)，例如MAXIM的一款電荷泵芯片MAX16945，它的輸出就是非穩(wěn)壓類型。

也有很多電荷泵芯片內部增加了反饋回路，例如TI的LM2775，內部集成了誤差放大器，它用來調節(jié)內部的電流源而實現穩(wěn)壓。

電荷泵方案應用在負載不大、需要升壓或負電壓的場合時，成本以及方案復雜度比較有優(yōu)勢。

電荷泵在BMS上面的應用

1、負電壓供電

BMS上有些會通過運放來搭建運算電路，此時運放可能會需要正負電源同時供電，這里使用電荷泵來實現負壓就是一個比較好的方案。

（圖片來源于網絡）

2、倍壓電路

BMS上面有些地方可能需要稍微高一些的電源電壓，但是負載卻很小，例如用來驅動MOS等等，此時電荷泵就是一個比較好的選擇。

一種方案是通過電荷泵芯片可以直接實現幾倍的升壓，例如下圖的三倍升壓電路（來自ON的NCP1729），外部通過二極管與電容的簡單串并聯就可以實現；NCP1729內部開關的接法是實現負電壓輸出，所以想要實現倍壓電路，就需要外部增加二極管來配合，接法就是二極管正極接電源，電容接開關，開關可以實現地與電源的切換即可。

還有一種方案，就是不使用電荷泵芯片，而借用開關電源的開關節(jié)點來實現，如下圖：在BOOST電路的基礎上，在輸出端連接二極管，而在開關節(jié)點SW處連接電容（下圖中的RFLY是為了增加電荷泵的輸出電阻用來限流）。

（圖片來自于TI官網）

3、AFE內部供電

最后就是在電芯單體采樣的AFE內部也存在電荷泵電路，典型代表就是MAXIM的MAX178XX系列；例如在MAX17854里面集成了這樣一個電荷泵，輸出端為HV引腳，它比DCIN會高6.9V左右，用于給內部的多路復用選通開關供電；電荷泵電路內部集成兩個開關，一路可以接到地，另外一路可以接到DCIN，電容CCP就是CFLY。

注意HV引腳外部的RC接到了DCIN引腳，沒有接到地，因為這里不需要實現倍壓，只比DCIN電平高一些即可；實際應用電路中這個電阻選取了10Ω左右，應該是用于電容充電時限流的，否則可能損壞AFE內部。

參考文獻《Pump it up with charge pumps – Part 1》

總結：

最近在實踐中學到了不少知識，這種感覺不錯；以上所有，僅供參考。