直流转换模块中使用电荷泵技术有哪些优势?

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电荷泵(Charge pump)是“开关电容技术”的众多应用中的一种。采用开关电容设计出来的DC/DC变换器也叫做电荷泵电源。电荷泵电源具有近乎无损、超小型化、并能缩小下游应用中功率模块等优势。

村田将Charge Pump应用在Buck转换器上有多项创新之处,并带来多项好处。近期在深圳举办的高性能电源技术分享与实战技术研讨会上,村田展示了其独特的电荷泵技术及产品,并详细介绍了开关电容技术在降压型直流转换器中的应用以及村田的几款Charge Pump产品和村田的非隔离模块产品线。

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什么是电荷泵

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一个简单的电荷泵电源

电荷泵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。比如上图这个最简单的电荷泵电源,就可以用来实现1/2降压的功能。

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简单来说,开关电容技术巧妙应用了开关的压差,通过切换开关将串联的电容变为并联,从而完成降压并提高功率密度(上图)。

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。

然而,容性转换会出现巨大损耗。

容性转换损耗

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。

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容性功率转换导致出现巨大损耗

损失了一半的能量!而且,可以看出,即使是理想开关的情况下也都是有损的,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”。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。这类似两个木桶里有不同高度的水位,把两桶水位平均后水的总量没有变,但是水的势能改变了。

但是,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?

当理想开关导通电阻为0时,电阻两端电压不为0,导通电流无穷大。零乘无穷大的结果是一个常数。

其实,这个损耗归根到底还是导通损耗。

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开关导致能量损耗

上图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。

如何消除或减小导通损耗

有多种方法,来消除或者减小这个导通损耗。比如下图中,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。

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村田解决方案

村田制作所2017年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(详情参考演讲PPT),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。

电源转换模块使用电荷泵技术有哪些优势

随着5G和IoT应用市场扩大,边缘计算、深度学习中AI技术也迅速发展,基站、服务器、边缘处理设备高速处理的数据量激增,对IT设备的高功能、高密度化的要求急速高涨,设备内大规模集成电路芯片(LSI)性能不断提高,为LSI芯片提供动力的传统电源电路方案相应显得捉襟见肘。


通常,配套线路板上不同搭载IC的固有工作电压范围是各不相同的。由于电压精度要求各异,电压不稳定的电源供电会发生失灵等问题,需要DC-DC转换器将直流转换为不同电压或保持电压稳定。比如,配置在微处理器、DSP、FPGA、ASIC等LSI附近的DC-DC降压型直流变换器(下图,也就是常说的POL,Point of Load)。

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一般的电源配置示意图

这些年,为LSI供电的电源电路的电压在降低,电流在增大。然而,降低电压后,防止LSI失灵需要提高电压精度并在负载变化时能够高速响应;而增大电流后,LDO变成开关电源,即便之前的设计可以做到既小型又简易,现在却也变得难以设计了。LDO变成开关电源,EMI噪声和纹波问题怎么解决?

由于电源电路通常占主板面积的30~50%,设计师还越来越为空间严重不够而大伤脑筋:空间相同,功耗增加,PCB散热怎么办?

鉴于上述这些原因,越来越多的应用中要求POL直流转换必须满足更高的要求:

  • 电压精度高
  • 过载响应快
  • EMI噪声低
  • 小型化

应用电荷泵技术,可以满足上述POL直流转换的要求。

应用电荷泵技术的村田电源产品

村田公司研发了既能削减包括周边电路在内的贴装总面积,电压转换效率又出色、两全其美的本产品——MonoBK DC-DC转换器。村田MonoBK直流转换器系列产品的优异特性和竞争优势的一个秘密是融合特有的“电荷泵技术”传统的DC-DC转换器电路的新方式“2阶结构”。

当DC-DC转换器模块是将电源IC、电感器、电容器等封装成一个的产品时,大部分体积为电感器所占。一般来说,要变换效率高,就需要大尺寸电感器,所以DC-DC转换器也就大;要优先确保空间,使用小型电感器,则电压转换效率变低。此外在输入电压与输出电压之差较大的应用中,由于占空比非常小,其影响出现在电源输入线,故为了降噪也需要大型滤波电路。

正是因为使用了电荷泵技术,通过以小幅电压阶跃降低输入电压,从而能使用低耐压FET,减轻对各个电感器的依赖度,从而实现了小型且高电压转换效率的DC-DC转换器。而且由于经降压的电压为DC-DC转换器电路的实际输入电压,故也解决了因输入电压与输出电压之差所造成的占空比问题。

MonoBK整合了村田MLCC、电感元件和丰富得电路技术优势,使用独特的3D结构设计和成型加工技术,减少外置元器件,将电源组件方案小型化。DC-DC转换器低噪声,高速响应,使用MonoBK方案还可以减少滤波器使用,简化设计。另外,使用MonoBK的方案稳定,适合高温运作环境。

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MonoBK的四大优势

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村田MonoBK产品阵容

MYTN系列

2020年,村田制作所MonoBK产品阵容新增了一个系列,即贴装面积超小电压转换效率超高的DC-DC转换器模块UltraBK™ MYTN系列。

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村田UltraBK™ MYTN系列

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村田UltraBK™ MYTN系列的应用

UltraBK™ MYTN系列主要特点包括:

  • 2/3电池芯串联& 12V 总线电压输入
  • 90% 峰值效率(12VN/1.8VOUT)
  • 超低高度(2.1mm最大值) 封装
  • 可达6A输出
  • 低噪声电荷泵2级架构

MYC0300 / 独立电荷泵模块

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MYC0300 电荷泵模块

MYC0300电荷泵模块的特色包括:

  • 高达97%的峰值效率
  • 超低高度(2.0mm) 封装
  • 高达10A 或45W 输出
  • 适用于2/3 芯电池串联& 12V 总线输入电压
  • 电压变比可设为2 & 3
  • 所需外围器件极少
  • 可并联输出

适用于48V架构的电荷泵模块MYC0400

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更多产品详情介绍,请下载演讲PPT资料!了解更多有关:

  • 电荷泵电源原理
  • 村田电荷泵的独到之处
  • 村田电荷泵家族产品
  • 村田使用电荷泵技术的非隔离电源模块产品线

文章来源:Murata村田中国

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