【導讀】電荷泵（Charge Pump）是“開關電容技術”眾多應用中的一種。利用開關電容充放電不同的連接方式，以非常簡單的電路實現DC/DC的升壓、降壓、負壓等變換器功能。
電荷泵（Charge Pump）是“開關電容技術”眾多應用中的一種。利用開關電容充放電不同的連接方式，以非常簡單的電路實現DC/DC的升壓、降壓、負壓等變換器功能。
如圖，這是一個最簡單的電荷泵電源，用來實現1/2降壓的功能。
與基于電感的開關電源變換器相比，電荷泵尺寸小，沒有電感器和變壓器所帶的磁場和EMI干擾；而且，尤其是在集成電路中，與電感、變壓器相比，電容更容易與芯片集成，所以電荷泵被廣泛應用。
然而，傳統(tǒng)的利用電容電荷交換為放電電容充電的容性功率轉換會出現巨大損耗。
舉例來說，一個電壓為V的電容C，給另外一個電壓為0，容量同樣為C的電容充電。
● 充電前，兩者的能量總和為第一個電容的能量，1/2*C*V^2；
● 充電后，電荷重新分布，兩個電容的電壓均為1/2*V，兩個電容的能量總和為1/4*C*V^2。
損失了一半的能量。
容性功率轉換導致出現巨大損耗
進一步的分析表明，即使在理想開關的情況下，都是有損的，而且損耗和兩電容之間的開關的導通電阻無關。
這個損耗，叫做”Charge Redistribution Loss”，就是“電荷再分布損耗”。也就是說，只要兩個電容在有壓差的情況下，進行了電荷傳輸，就會有損耗。類似兩個木桶里有不同高度的水，把兩桶水位平均后水的總量沒有變，但是水的勢能改變了。
有人會問，理想開關的導通電阻是0，怎么還會有損耗呢？這個損耗到底去哪了？
其實，這個損耗歸根到底還是導通損耗。當理想開關導通電阻為0時，電阻兩端電壓為0，導通電流無窮大。零乘無窮大的結果是一個常數。
開關導致能量損耗
如圖，上半部分顯示的是一個電壓源，在有壓差的情況下硬開關的導致出現損耗。粉紅色的是電壓源的電壓，保持不變；淡藍色的是被充電的電容的電壓，逐漸建立起來的過程。右邊顯示的綠色線是充電電流。粉色的電壓源電壓減去淡藍色的電容電壓，就是開關兩端的壓差，與電流的乘積，就是導通損耗。
有多種方法，來消除或者減小這個導通損耗。
比如，采用ZVS的軟開關技術，使用電流源來給電容充電。電流源的電壓與被充電的電容保持同步，開關兩端沒有壓差，從而消除導通損耗。
村田為提供效率高、體積小的電源模塊，不斷采用創(chuàng)新技術。
2017年，村田收購了由麻省理工學院成立的新創(chuàng)企業(yè)Arctic Sand。Arctic Sand在開關電容技術及其創(chuàng)新拓撲方面擁有超過125項專利。利用這些創(chuàng)新的專利技術，以及制程的垂直整合，村制造出更小更薄的電源模塊，同時具有優(yōu)秀的電磁兼容性能，以滿足業(yè)界領先的高標準需求。
村田在常見非隔離模塊設計上創(chuàng)新地提出靈活的2級管道電源架構。將開關電容網絡和Buck或者Boost級的模塊靈活的組合起來。
獨特架構為器件帶來諸多優(yōu)勢：
減小>50%占板面積
組件厚度降低50%+
大大降低功率損耗
優(yōu)秀的EMI抗輻射干擾能力
更小文波輸入電流
... ...
村田電荷泵創(chuàng)新的2級管道電源架構
村田電荷泵的高度靈活的多級架構，包含有專利的“管道”級開關電容網絡，以及后接的buck或者boost級。其中，第一級的電荷泵幾乎是無損的，而且效率與輸入和輸出的電壓差幾乎無關。
因為電荷泵中的電容做了大部分工作，使得第二級的buck電路可以極大的減小輸出濾波電感的尺寸，同時，第二級的輸入電壓降低了，可以利用標準CMOS工藝制作的低壓開關管。
使用兩級架構，除了減小尺寸，還可以帶來其它好處(詳細解說,請下載演講資料)。例如：
● 更小的輸入紋波電流和輻射干擾水平；
● 更高的效率且可高達20MHz的開關頻率；
● 更大的占空比；
● 小尺寸低感值可以提供更快的動態(tài)響應，工作在更高的開關頻率等。
目前村田已經大量生產此系列的電荷泵產品。 既有分立IC形態(tài)；也有獨立電源模塊的形態(tài)，使用了村田先進的封裝科技，并在7月舉辦的慕尼黑電子展精彩亮相。
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