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這次一起學(xué)習(xí)開(kāi)關(guān)電源的一種類(lèi)型：電荷泵電源以及它在BMS上面的應(yīng)用。

什么是電荷泵？

來(lái)自百度的解釋為：電荷泵，也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)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(lái)儲(chǔ)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(dāng)?shù)暮?jiǎn)單。

（圖片來(lái)自于ON官網(wǎng)）

工作原理

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

在放電階段，開(kāi)關(guān)S1和S4閉合，開(kāi)關(guān)S2和S3斷開(kāi)。CFLY的負(fù)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(guò)電容CFLY和開(kāi)關(guān)S1和S4；電荷從CFLY轉(zhuǎn)移到輸出電容器CO，以產(chǎn)生大約等于2VI的輸出電壓。

（圖片來(lái)自TI官網(wǎng)）

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(fù)電壓輸出，首先閉合S1和S4，電源VI給電容CFLY充電；然后斷開(kāi)S1S4，而閉合S2和S3，此時(shí)電容CFLY的正極接到了GND，而負(fù)極接到了負(fù)載電容CO，這樣就實(shí)現(xiàn)了電壓正負(fù)的翻轉(zhuǎn)，對(duì)外輸出電壓為-VI。

（圖片來(lái)自TI官網(wǎng)）

上面這兩種形式的不同點(diǎn)是開(kāi)關(guān)S3與S4的接法，大家稍微研究下就會(huì)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(nèi)部幾個(gè)開(kāi)關(guān)的接法固定了；另外，這兩種形式都是開(kāi)環(huán)的方式，即沒(méi)有輸出的反饋調(diào)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(lèi)型。

也有很多電荷泵芯片內(nèi)部增加了反饋回路，例如TI的LM2775，內(nèi)部集成了誤差放大器，它用來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)部的電流源而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

電荷泵方案應(yīng)用在負(fù)載不大、需要升壓或負(fù)電壓的場(chǎng)合時(shí)，成本以及方案復(fù)雜度比較有優(yōu)勢(shì)。

電荷泵在BMS上面的應(yīng)用

1、負(fù)電壓供電

BMS上有些會(huì)通過(guò)運(yùn)放來(lái)搭建運(yùn)算電路，此時(shí)運(yùn)放可能會(huì)需要正負(fù)電源同時(shí)供電，這里使用電荷泵來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)壓就是一個(gè)比較好的方案。

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

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(fù)載卻很小，例如用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS等等，此時(shí)電荷泵就是一個(gè)比較好的選擇。

一種方案是通過(guò)電荷泵芯片可以直接實(shí)現(xiàn)幾倍的升壓，例如下圖的三倍升壓電路（來(lái)自O(shè)N的NCP1729），外部通過(guò)二極管與電容的簡(jiǎn)單串并聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)；NCP1729內(nèi)部開(kāi)關(guān)的接法是實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓輸出，所以想要實(shí)現(xiàn)倍壓電路，就需要外部增加二極管來(lái)配合，接法就是二極管正極接電源，電容接開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)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(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下圖：在BOOST電路的基礎(chǔ)上，在輸出端連接二極管，而在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(lái)限流）。

（圖片來(lái)自于TI官網(wǎng)）

3、AFE內(nèi)部供電

最后就是在電芯單體采樣的AFE內(nèi)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(gè)電荷泵，輸出端為HV引腳，它比DCIN會(huì)高6.9V左右，用于給內(nèi)部的多路復(fù)用選通開(kāi)關(guān)供電；電荷泵電路內(nèi)部集成兩個(gè)開(kāi)關(guān)，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(méi)有接到地，因?yàn)檫@里不需要實(shí)現(xiàn)倍壓，只比DCIN電平高一些即可；實(shí)際應(yīng)用電路中這個(gè)電阻選取了10Ω左右，應(yīng)該是用于電容充電時(shí)限流的，否則可能損壞AFE內(nèi)部。