简化操作

首先，考虑作为逆变器连接的电荷泵。在简化版本(图1)中，操作由占空比为50%的两相时钟信号控制。泵电容器(电荷传输组件)通过SW1A和SW1B的闭合被充电到V(IN)。SW2A和SW2B目前处于开放状态。在下一个时钟周期，SW2A和SW2B的闭合将泵电容连接到C(OUT)，从而在输出端产生-V(IN)。

接下来，将电荷泵连接为倍频器(图2)。与之前一样，操作由两相50%占空比时钟信号控制。泵电容器是电荷转移装置，通过关闭SW2A和SW2B(此时SW1A和SW2B处于打开状态)将其充电至V(IN)。在下一个时钟周期，SW1A和SW1B的闭合通过将泵电容连接到C(OUT)在输出端产生+2V(IN)。

输入输出纹波是由泵浦电容的快速充放电引起的。围绕MAX665电荷泵构建的逆变电路(图3)在51欧姆上产生5V，说明了输入纹波伪像(图4)。(由大电流，低频(≤100kHz) MAX665产生的纹波很容易测量。)

Ripple-reduction方法

为了减少纹波，必须将纹波源与电路的其余部分隔离开来。为了在电荷泵中获得最佳转换效率，您还应该最小化ESR，并确保输入、输出和泵-电容器值尽可能接近数据表中推荐的值。下面的讨论涵盖了四种最小化纹波及其影响的技术。

1. 减少输入电容的ESR意味着并联多个电容:N个相同的并联电容使输入纹波减少N(-1)。不幸的是，这种方法在成本和pc板面积方面并不是很有效。

2. 相反，在输入电源引脚处添加LC滤波器(图5)。额外的滤波可防止纹波通过输入电源迹线传播到其他电路。作为一个二阶滤波器，LC网络最小化了分量数。此外，它的小串联电感在输入电源和电荷泵之间产生最小的电压降。
   
   

   
   

   波纹频率基波等于泵频(F(CLOCK)/2)。二阶滤波器以40dB/ 10年衰减，因此理想的滤波器频率应至少比所选的F(CLOCK)/2低一个10年。
   
   

   
   

   电感必须处理大于1.5I(OUT)的直流电流而不饱和。对于临界阻尼(即。(没有峰值);
   
   

   
   

   考虑到R(SOURCE)和R(LOAD)的低阻抗值，滤波器应该是临界阻尼或接近临界阻尼。然而，临界阻尼对电路运行来说并不是必需的。即使在滚出点出现一些峰值，过滤仍然有效。一个10µF滤波器电容和10µH滤波器扼流圈一起提供15.9kHz的3dB频率和1欧姆的临界R(SOURCE)。图6显示了图5电路在不同阻尼比下的幅值响应，图7显示了其较低的纹波水平(与图3电路相比)。
   
   

   
   

   
   

3. 在电荷泵的输入电源中添加一个低差线性稳压器(图8)，可以产生一个有效的通用电路，用于防止纹波对系统其余部分的影响。输入LDO还使用比无源LC滤波器更小的电容器:300mA MAX8860 LDO(可在8引脚µMAX 封装中提供)在输入和输出处需要2.2µF电容器;MAX8863 - MAX8864系列120mA线性稳压器(采用SOT23封装)仅需1µF陶瓷电容器。然而，LDO必须处理至少两倍于电荷泵的输出负载电流。与等效的无源滤波器相比，额外电流能力的额外费用可能会使LDO方法在成本和性能(pcb面积和衰减)方面超出界限。
   
   

   
   

4. 向输入电源添加RC(图9)是lc滤波器方法的单阶版本。通常不推荐RC输入，因为低R(FILTER)值需要最小的效率损失(<5欧姆)强制使用非常大的C(FILTER)。图10显示了在图9电路的输入端添加RC滤波器的效果，其中带有100µF电容的MAX665产生5V输出，负载电阻为51欧姆
   
   

   
   

   如果输入电源是电池，那么电池的有效体电容可以作为C(FILTER)。由于C(FILTER)是一个非常大的电容，因此产生的滤波器在减少电池的纹波效应方面非常有效。一个例子有助于说明这一点:一个800mAH的锂电池的电容可以由:
   
   

   Q = c.v	，其中I = 800mA, T = 3600s (1Hr)， V = 3.4V。
   I.t = c.v

   因此，C = 847法拉，f(FILTER) = 0.12mHz。假设纹波源电阻(R(FILTER))等于1欧姆， ESR和电池接触电阻之和(约100毫欧)将衰减限制为最大21dB。实际电池的模型更为复杂，中心体电容由ESR、ESL和寄生电容修改。在实践中，应该在接近R的位置增加电容(FILTER)，从而提供高频辅助和250kHz以上的低ESR (<50毫欧)连接到电池及其互连引线。额外C(FILTER)的典型值为470nF。对于图10的MAX665电路，将C(FILTER)增加到1500µF可以降低输入电压和电流纹波，如图11所示。
   
   

   
   

   
   

结论

有几种方法可以减少由电荷泵引起的输入电源纹波的影响。例如，在数据表推荐的输入电容之外放置LC滤波器，(#2)为系统的其余部分提供了出色的电压纹波保护(图10)，对整体转换效率的影响最小。一个有效的替代电池系统是一个简单的串联电阻(#4)，它占用最小的空间。该电阻器也适用于大存储值(>50µF)为宜。模拟电池应用的结果如图11所示。

Maxim的电荷泵ic(表1)的概述包括，以帮助读者根据所需的时钟频率，操作模式和输出电流的水平选择适当的设备。