一文解析什么是电荷泵电源

电荷泵（Charge Pump）是“开关电容技术”众多应用中的一种。利用开关电容充放电不同的连接方式，以非常简单的电路实现DC/DC的升压、降压、负压等变换器功能。

如图，这是一个最简单的电荷泵电源，用来实现1/2降压的功能。

与基于电感的开关电源变换器相比，电荷泵尺寸小，没有电感器和变压器所带的磁场和EMI干扰；而且，尤其是在集成电路中，与电感、变压器相比，电容更容易与芯片集成，所以电荷泵被广泛应用。

然而，传统的利用电容电荷交换为放电电容充电的容性功率转换会出现巨大损耗。 举例来说，一个电压为V的电容C，给另外一个电压为0，容量同样为C的电容充电。

充电前，两者的能量总和为第一个电容的能量，1/2*C*V^2；

充电后，电荷重新分布，两个电容的电压均为1/2*V，两个电容的能量总和为1/4*C*V^2。

损失了一半的能量。

容性功率转换导致出现巨大损耗

进一步的分析表明，即使在理想开关的情况下，都是有损的，而且损耗和两电容之间的开关的导通电阻无关。 这个损耗，叫做”Charge Redistribution Loss”，就是“电荷再分布损耗”。也就是说，只要两个电容在有压差的情况下，进行了电荷传输，就会有损耗。类似两个木桶里有不同高度的水，把两桶水位平均后水的总量没有变，但是水的势能改变了。 有人会问，理想开关的导通电阻是0，怎么还会有损耗呢？这个损耗到底去哪了？ 其实，这个损耗归根到底还是导通损耗。当理想开关导通电阻为0时，电阻两端电压为0，导通电流无穷大。零乘无穷大的结果是一个常数。

开关导致能量损耗

如图，上半部分显示的是一个电压源，在有压差的情况下硬开关的导致出现损耗。粉红色的是电压源的电压，保持不变；淡蓝色的是被充电的电容的电压，逐渐建立起来的过程。右边显示的绿色线是充电电流。粉色的电压源电压减去淡蓝色的电容电压，就是开关两端的压差，与电流的乘积，就是导通损耗。 有多种方法，来消除或者减小这个导通损耗。 比如，采用ZVS的软开关技术，使用电流源来给电容充电。电流源的电压与被充电的电容保持同步，开关两端没有压差，从而消除导通损耗。

村田为提供效率高、体积小的电源模块，不断采用创新技术。

2017年，村田收购了由麻省理工学院成立的新创企业Arctic Sand。Arctic Sand在开关电容技术及其创新拓扑方面拥有超过125项专利。利用这些创新的专利技术，以及制程的垂直整合，村制造出更小更薄的电源模块，同时具有优秀的电磁兼容性能，以满足业界领先的高标准需求。

村田在常见非隔离模块设计上创新地提出灵活的2级管道电源架构。将开关电容网络和Buck或者Boost级的模块灵活的组合起来。

独特架构为器件带来诸多优势：

减小>50%占板面积

组件厚度降低50%+

大大降低功率损耗

优秀的EMI抗辐射干扰能力

更小文波输入电流

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村田电荷泵创新的2级管道电源架构

村田电荷泵的高度灵活的多级架构，包含有专利的“管道”级开关电容网络，以及后接的buck或者boost级。其中，第一级的电荷泵几乎是无损的，而且效率与输入和输出的电压差几乎无关。 因为电荷泵中的电容做了大部分工作，使得第二级的buck电路可以极大的减小输出滤波电感的尺寸，同时，第二级的输入电压降低了，可以利用标准CMOS工艺制作的低压开关管。

使用两级架构，除了减小尺寸，还可以带来其它好处。例如：

更小的输入纹波电流和辐射干扰水平；

更高的效率且可高达20MHz的开关频率；

更大的占空比；

小尺寸低感值可以提供更快的动态响应，工作在更高的开关频率等。

目前村田已经大量生产此系列的电荷泵产品。既有分立IC形态；也有独立电源模块的形态，使用了村田先进的封装科技，并在7月举办的慕尼黑电子展精彩亮相。