为什么电荷泵只用于低电流应用?

电器工程 电源 电容器 开关模式电源 电感器 电荷泵
2022-01-28 18:04:46

通常,SMPS 中最昂贵(且最难获得)的元件是电感器。因此,我想知道是否可以将无电感开关模式电源(即电荷泵)用于一般用例,例如台式电源、固定大功率 DC-DC 转换器(几安培和几百瓦的功率) ), 等等。

我能找到的所有电荷泵设计都是针对低功率应用的。是什么阻止了人们设计高功率无电感电源?是否存在一些固有的物理限制?

4个回答

你的想法有两个问题。一种实用,一种基础。

实际的问题是,每储存能量的电容器比电感器更昂贵,而且真正的高容量电容器(电解)已经过时了。

根本问题是从电压源为电容器充电从根本上是有损耗的(您会散发热量)。这可能看起来违反直觉,但确实如此。(前段时间有一个关于这个的问题。)因此,即使是理想的飞电容电压转换器,本质上也是低效的。(理想的基于电感器的电压转换器效率为 100%。)

你可能会觉得这个世界对电容器不公平很奇怪,但这是我们的人为错误:我们主要通过电压源供电。对于电流源,情况正好相反:飞跨电容器的理想电流转换器可以达到 100% 的效率,而电感器的理想电流转换器必然是有损耗的。

如果源和输出是恒定电流,电容器会更好。您可以对电容器充电,直到电压上升到一定水平,然后将电容器放电到负载阻抗以保持恒定的输出电流。您可以使用大电感作为输出滤波器来保持输出电流恒定。

由于我们的电源是恒定电压的,而且我们通常希望输出电压恒定,因此使用电感器存储能量和电容器来过滤它更有意义。

请注意,所有高效开关电源都有电容器和电感器。

是的,电荷泵(飞行电容器)可以获取电压并将其移动,翻转,甚至乘以整数等,但是每次通过电阻开关对电容器充电或放电时,您都会损失一部分电容器的能量变化在开关本身 - 更大的电压变化意味着更多的损失。较低电阻的开关仅意味着给定电压变化的能量损失被压缩到更小的时间片中,总保持不变。

如果将两个具有不同电压的电容器或串联的电容器串连接在一起,它们的电荷将以一种减少其中存储的能量的方式平均化。如果它们使用电感器连接,多余的能量将转移到该电感器,随后可能用于某些有用的目的。如果连接是纯电阻式的,则能量将 100% 转换为热量。最小化阻力不会减少能量损失;它只会减少它发生所需的时间。

因此,为了使电荷泵高效,电容器需要足够大,以使它们两端的电压变化不大。在电荷泵不需要传输太多能量的情况下,可以在输出端使用线性稳压器,并将电压提升到足以在最坏情况下纹波条件下输出电压仍然足够高以维持调节,但效率将受到负载电压乘以升压比与源电压之比的限制。

电荷泵存在一些问题。

  1. 它们不能同时提供效率和电压调节。调节输出电压以使其在输入电压变化和负载变化期间保持恒定的唯一方法是故意降低效率。
  2. 在循环的充电和放电部分,电流必须通过两个开关元件(二极管或晶体管)(而对于降压或升压转换器,它一次只需要通过一个开关元件)。
  3. 效率高度依赖于所需的输入输出电压比。如果您想制作一个 1.5x 电压转换器,那么您将不得不使用一些复杂的多级布置或制作一个 2x 转换器并以故意低效的模式运行它。