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。