電荷泵和混合降壓結(jié)構(gòu)正在重新定義高效電源設(shè)計(jì)的可能性，這項(xiàng)技術(shù)通過獨(dú)特的電容能量傳遞機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電感方案難以企及的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。本文從宏觀的技術(shù)演進(jìn)維度進(jìn)行系統(tǒng)性觀察，深入剖析電荷泵實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的物理本質(zhì)、電容與電感儲能的拓?fù)浠ヒ仔裕约肮瘫日{(diào)理、諧振電荷泵、混合結(jié)構(gòu)調(diào)壓等不同技術(shù)路徑的電路特性與應(yīng)用場景。文章不僅解讀了電荷泵在快充、48V系統(tǒng)、AI處理器供電等領(lǐng)域的應(yīng)用邏輯，更通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?a target="_blank">電路分析和能量傳遞模型，揭示了電荷泵如何通過改變電路應(yīng)力特征來突破傳統(tǒng)開關(guān)電源的電壓限制與損耗瓶頸，為電源工程師理解這一技術(shù)方向提供了一個(gè)系統(tǒng)的分析框架和參考視角。

1 引言

電荷泵電路容易部分實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)和實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。以密度和體積計(jì)算儲能，電容儲能大于電感儲能，諧振和混合結(jié)構(gòu)變換對電源變換器性能改善有巨大潛力1。利用電荷泵實(shí)現(xiàn)的快充大大改善了用戶體驗(yàn)，將電荷泵改變電路應(yīng)力特征的能力2展現(xiàn)得淋漓盡致，促進(jìn)了專業(yè)社群重新關(guān)注這個(gè)古老的結(jié)構(gòu)。

線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)中電感和電容有拓?fù)浠ヒ仔?，采用電感?shí)現(xiàn)的電路功能均可以用電容實(shí)現(xiàn)對等的功能。交換電容和電感，或?qū)в须姼?電容的網(wǎng)孔代換為電容/電感支路，則電壓的解可以代換為電流的解；這種可代換性也包括變比為N的電荷泵等效為匝比為T的變壓器。這些互易特征的電路示意可參考圖1。

電荷泵有豐富的結(jié)構(gòu)形態(tài)3實(shí)現(xiàn)不同功能和改變應(yīng)力特征；利用電荷泵降低輸入電壓可降低電感開關(guān)電源開關(guān)節(jié)點(diǎn)寄生電容充放帶來的能量消耗，或者將低壓大電流轉(zhuǎn)換到舒適的電壓和電流。圖1子圖（c）和子圖（d）反映了在電感電路和電容電路中串聯(lián)或并聯(lián)電阻的必要性；沒有電阻，電流或電壓有可能會發(fā)散到無窮大。圖2和圖1用來說明需要關(guān)注的兩個(gè)關(guān)鍵特征，即功率在傳遞過程中和在部分諧振中的影響。

以圖2電路一次開關(guān)接觸來計(jì)算損失；多次開關(guān)時(shí)銜接其前一次開關(guān)結(jié)束時(shí)的狀況作為下次開關(guān)的初始狀況。如果一個(gè)周期內(nèi)能量傳遞過程是平衡的，乘以工作頻率即可推算出功率傳輸能力。圖2子圖（a）中兩二極管是在多周期開關(guān)時(shí)電感電流的續(xù)流通道；除這兩個(gè)二極管外，開關(guān)接觸與圖1子圖（e）的初始狀態(tài)注入是等效的，是可用阻尼系數(shù)ζ和固有頻率ω0描述的二階響應(yīng)系統(tǒng)。圖2子圖（b）、（c）和（d）分別是無電感和無電阻兩個(gè)極端條件下的波形和傳輸能力解讀用圖。子圖（b）是開關(guān)接觸到穩(wěn)態(tài)的過程中電流電壓波形、電阻帶來的能量損失和向輸出電容傳遞的功率和輸出電容的儲能變化?？梢婋娮枘芰繐p失的峰值和穩(wěn)定值與阻值無關(guān)，僅由接觸前后的壓差有關(guān)4；傳輸能量的穩(wěn)定值由容值、穩(wěn)態(tài)電壓和電壓變化的乘積決定。子圖（c）顯示電阻損耗與電壓變化呈平方關(guān)系增長，Vd/Vs對能量傳遞大小的影響；圖中的紅色曲線為Loss/EC(t)以及在Vd很小的局部的線性化表現(xiàn)。圖中電阻能量損失Loss和能量傳遞EC(t)的比例說明損失占比隨Vd/Vs是單調(diào)遞增的，且與容值無關(guān)。子圖（c）說明電荷泵適合較高穩(wěn)態(tài)電壓Vs和較低電壓變化Vd工作5。子圖（d）是無電阻的理想情況6；因?yàn)闆]有損耗，接觸引起的能量變化引起電感和電容間持續(xù)振蕩。任何時(shí)間斷開接觸，能量一定是向輸出電容方向傳遞的；如果能在振蕩波形180°斷開，能量傳遞得以放大。以常見的500kHz開關(guān)頻率和10μF有效電容計(jì)算，需要41nH電感即可；諧振電荷泵工程上是可行的。

圖3表達(dá)了串入固比電荷泵對環(huán)路傳輸函數(shù)的影響。以電流傳輸計(jì)算，電荷泵簡單等效為電流等比例放大；響應(yīng)譜形狀不變，3dB帶寬、穿越頻率和相位裕度均因引入增益N拉高。配合穩(wěn)壓電源串入電荷泵后，穩(wěn)壓采樣點(diǎn)后置到電荷泵之后，相當(dāng)于電壓擾動采樣增益下降到1/N，穩(wěn)壓電源輸出電流和等效負(fù)載下降，環(huán)路帶寬仍表現(xiàn)為拉高7。

2 固比調(diào)理電荷泵

除前述利用電荷泵降低路徑損耗和觸點(diǎn)燒結(jié)風(fēng)險(xiǎn)的快充外，僅利用電荷泵自身的應(yīng)用還包括在 48V 系統(tǒng)中利用4:1電荷泵將48V降低到12V的應(yīng)用，以及利用1:4（或5）為低壓處理器供電的應(yīng) 用；這類應(yīng)用分別叫前置固比和后置固比電源調(diào)理應(yīng)用。在這類應(yīng)用中電荷泵并不具備穩(wěn)壓能力， 它只是將48V按固定比例轉(zhuǎn)化為12V，或者以0.4V為例，將給低壓處理器的供電轉(zhuǎn)化為1.6V或2V， 同時(shí)供電電流降低到1/4或1/5。

圖4用來說明固比電荷泵的結(jié)構(gòu)，以及其如何改善了與之配合的電感開關(guān)穩(wěn)壓電路的應(yīng)力條件和減小了寄生電容的影響；從簡潔表達(dá)出發(fā)，其中的兩個(gè)電荷泵電路未考慮諧振工作。

圖4子圖（a）中的輸出儲能電感阻止了瞬變向輸出傳遞，該電路與圖1子圖（e）和圖2子圖（a）是一致的，Lpara和Cpara間會出現(xiàn)阻尼諧振。這個(gè)阻尼諧振存在兩個(gè)不利影響，其能量損耗是固有的，開關(guān)節(jié)點(diǎn)硬開關(guān)時(shí)沒有辦法降低8，并且該振蕩使開關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過沖和欠沖過應(yīng)力9。這部分損耗隨電源電壓變化呈平方關(guān)系上升，使得在24V以上工作的開關(guān)電源不得不降低開關(guān)頻率。開關(guān)頻率降低進(jìn)一步引起電流峰峰值增大，需要采用更大的電容和電感來濾波。采用固比電荷泵將高壓降低后輸出到開關(guān)電源，則回避了上述不利影響。

圖4子圖（b）是交錯(cuò)工作的兩級2:1電荷泵；圖中的兩個(gè)用虛線框圈起的部分分別為半電壓開 關(guān)的2:1 電荷泵和四分之一電壓開關(guān)的2:1電荷泵10。這個(gè)結(jié)構(gòu)簡潔易懂11，同時(shí)相對于那些復(fù)雜變 形結(jié)構(gòu)來講，更有利于高功率應(yīng)用。這個(gè)結(jié)構(gòu)中沒有中間電壓電容，能量通過串聯(lián)電容直接轉(zhuǎn)移到 輸出。其中半電壓開關(guān)電荷泵180°錯(cuò)相工作，四分之一電壓開關(guān)電荷泵以兩倍頻率180°錯(cuò)相工作。

圖4子圖（c）所示電荷泵在高位套接了一個(gè)低壓工作的電荷泵，即新增的虛線框圈起的部分， 獲得了 5:1 倍率；這個(gè)結(jié)構(gòu)中高位部分和低壓部分工作在五分之一電壓，套接在中間的部分工作在 五分之二電壓。

盡管圖2子圖（b）所示的關(guān)系顯示低壓工作不利于電荷發(fā)揮其能量傳遞特性，穩(wěn)態(tài)電壓不利可以由低壓開關(guān)的低導(dǎo)通電阻和高頻工作來彌補(bǔ)。電荷泵尺寸緊湊，圖4子圖（b）和子圖（c）所示的結(jié)構(gòu)可以大幅度降低沿PCB橫向分配的電流，是用于垂直供電的合理結(jié)構(gòu)。

2.1 高壓堆、浮動供電電荷泵

高壓堆和浮動供電是固比電荷泵的特定傳統(tǒng)應(yīng)用場景。參考圖5，子圖（a）用于小電流場合產(chǎn)生高電壓，例如激光雷達(dá)為激光器儲能電容供電和脈沖X光儲能供電；子圖（b）是雙NFET推挽結(jié)構(gòu)中高邊柵極驅(qū)動電路的自舉供電浮動電源；子圖（c）是穩(wěn)態(tài)高邊開關(guān)NFET驅(qū)動的浮動電源；子圖（d）是IC內(nèi)部集成電荷泵的示意，表達(dá)其簡潔性。與子圖（a）和（c）不同，子圖（b）中的浮動供電無法長期維持供電，需要插入一次推挽動作對自舉電容補(bǔ)充電荷，或借助子圖（c）結(jié)構(gòu)維持和補(bǔ)充。子圖（b）采用同步整流器取代了二極管，是考慮在高壓推挽應(yīng)用時(shí)二極管的反向恢復(fù)特性會引起反向電流浪涌。

2.2 分壓均衡

分壓均衡是伴隨多串電池應(yīng)用12和邏輯電路垂直堆疊出現(xiàn)的新應(yīng)用。這兩個(gè)電流結(jié)構(gòu)特征一致，但多串電池均衡應(yīng)用面臨全串電壓集中到開路故障點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，需要配合串組開路措施來保護(hù)13。這兩個(gè)用途較為復(fù)雜，不在此做更多描述。

3 變比電荷泵和混合調(diào)壓結(jié)構(gòu)

圖6是變比電荷泵、混合結(jié)構(gòu)降壓和混合結(jié)構(gòu)升壓的示意。子圖（a）電路在2:1和1:1兩個(gè)比例間切換。以兩串電池應(yīng)用為例，經(jīng)該電路調(diào)理，在負(fù)載側(cè)看，可以使兩串電池像是單節(jié)電池一樣；轉(zhuǎn)換到兩節(jié)電池供電時(shí)負(fù)載可以沿用為單節(jié)電池設(shè)計(jì)的電路?；旌辖Y(jié)構(gòu)調(diào)壓將固比電荷泵調(diào)理部分與電感開關(guān)穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)合并在一起，犧牲了電荷泵時(shí)間上的對稱性，減少了開關(guān)數(shù)量14；產(chǎn)品設(shè)計(jì)多以交錯(cuò)多相提高等效頻率和分散應(yīng)力。變比電荷泵在變比變化瞬時(shí)出現(xiàn)較大壓差，電容充放會產(chǎn)生電流浪涌和相應(yīng)損耗，不適合于頻繁變化變比的應(yīng)用。

圖7電路套接了混合降壓和后固比擴(kuò)流調(diào)理電荷泵（同一電路，工作模式差異），設(shè)計(jì)為高突發(fā)低壓的AI處理器供電。后固比調(diào)理降低了PCB橫向輸送電流，允許穩(wěn)壓電路適當(dāng)拉遠(yuǎn)安裝。穩(wěn)壓電路根據(jù)輸入電壓范圍以三種方式工作，即電荷泵半電壓開關(guān)斬波工作、三段工作和飛電容短路全電壓斬波工作，或者配合諧振電荷泵模式以半電壓斬波或全電壓斬波工作。圖中表達(dá)了必要時(shí)采用電壓模式耦合電感以加快對負(fù)載瞬變的響應(yīng)速度。電壓模式耦合電感在輕載時(shí)需要轉(zhuǎn)入單相工作，且在負(fù)載進(jìn)一步減小時(shí)阻止產(chǎn)生電感反向電流，以維持高轉(zhuǎn)換效率。電壓耦合使得停止工作相的開關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)電壓。

圖8電路方案是面向手機(jī)和平板應(yīng)用提出的電源分配網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)方案采用同一電路支持兩串電池中間抽頭供電，利用升壓-降壓過程將能量轉(zhuǎn)移不連續(xù)的電感升壓穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成能量轉(zhuǎn)移連續(xù)的電感降壓穩(wěn)壓，可以減少應(yīng)力和提高工作頻率，以便采用更小元件實(shí)現(xiàn)高功率密度。其均衡能力允許采用不同容量電池串聯(lián)，利用中間抽頭為單電池電壓范圍工作的電路供電。USB作為這類應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)接口，5V是必須有的電源。10V~12V則是振動馬達(dá)驅(qū)動、音頻功放驅(qū)動和天地通需要的供電電壓范圍。

致謝

在此，謹(jǐn)向在本文撰寫過程中給予支持和幫助的各位，致以誠摯的謝意。

感謝趙清華、張璐、劉新、林風(fēng)和于亞冰在資料提供上的寶貴貢獻(xiàn)；感謝林風(fēng)和劉新對本文的審閱。

注釋

1路延（清華教授）在其《功率轉(zhuǎn)換中的乾坤大挪移》中引用了 “Pilawa（加州大學(xué)伯克利分校教授）， APEC2024” 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及屈萬園（浙大教授）的表達(dá) “硅進(jìn)磁退” 和“電容上的能量是死能量”，反映了業(yè)界 對混合結(jié)構(gòu)和諧振變換的專注。儲能視角僅限于電感和電容-電感諧振，并不包括變壓器和電荷泵。變壓器和電荷泵 并非利用其儲能傳遞能量，而分別是利用并聯(lián)電感磁場的變化在線圈間耦合傳遞電壓和利用電荷在不同電壓下搬移 傳遞能量；變壓器和電荷泵誰更有效需要更多維度來評估。路延和屈萬園的文章中均列出了有關(guān)引文，可搜索相關(guān) 文章來參考。

2通過利用2:1電荷泵和4:1電荷泵將電池和充電電源間的連接路徑電壓升高、電流下降，降低了路徑阻性壓降和 接觸點(diǎn)過流燒結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。在貼近電池的位置降壓、倍流，配合源電壓控制有效實(shí)現(xiàn)了快充。

3如Doubler結(jié)構(gòu)、Serial-parallel結(jié)構(gòu)、Walton結(jié)構(gòu)、Ladder結(jié)構(gòu)、Dikson結(jié)構(gòu)、Fanbonacci結(jié)構(gòu)和Cross-coupled 結(jié)構(gòu)。圣邦微電子公司網(wǎng)站及公眾號可搜索到趙清華、張璐和劉新編撰的資料和相關(guān)視頻介紹。

4接觸電流浪涌與阻值有關(guān)，阻值小浪涌幅度大；損耗由電流平方與阻值乘積決定，對消了阻值影響。

5子圖（c）顯示在電容C初始電壓為零時(shí)傳遞的能量最大，但這時(shí)損耗占比已經(jīng)很大。當(dāng)電容初始電壓為負(fù)電壓時(shí)，即Vd/Vs＞1時(shí)，傳遞的能量會減小，并且最終出現(xiàn)電容儲能反向釋放的現(xiàn)象。圖中用虛線表達(dá)了這些沒有實(shí)用性的部分曲線。

6諧振電荷泵在多個(gè)專利中有專利要求，如US10873260B2/CN110266184B。

7受其啟動過程行為設(shè)計(jì)影響以及環(huán)路特點(diǎn)，并非所有開關(guān)穩(wěn)壓產(chǎn)品可串入電荷泵正常工作。圣邦微電子劉新利用SGM61181和SGM41603驗(yàn)證了0~10A負(fù)載跳變時(shí)的改善效果。

8軟開關(guān)可以回避這些寄生的影響，但電路代價(jià)大。

9電壓過沖峰值近乎為電源電壓的兩倍，同時(shí)引起相應(yīng)比例的電流過沖。

10電荷泵啟動過程存在一過性的電壓過應(yīng)力和電流過應(yīng)力；如何處理其過應(yīng)力過程和實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)是產(chǎn)品實(shí)用化的 關(guān)鍵，有不同的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、不在此討論。

11子圖（b）和子圖（c）并非實(shí)用電路，實(shí)用電路通過交叉連接可以減少需要的開關(guān)數(shù)量，如專利CN110492732B 和CN115664210A 所表達(dá)結(jié)構(gòu)。

12早在2000年Lockheed Martin申請并公開了相應(yīng)專利，US006121751A。

13可參考圣邦微電子網(wǎng)站資料《電池測量和均衡解決方案》。

14LTC在2018年推出了混合結(jié)構(gòu)降壓產(chǎn)品LTC7821，TI公司也推出三段式混合降壓的充電產(chǎn)品。三段混合降壓的 結(jié)構(gòu)分析介紹可見Jeff Falin和Alvare Aguilar的文章《Maximize power density with three-level buck-switching chargers》，可在TI網(wǎng)站搜尋。圖6子圖（b）和（c）所示結(jié)構(gòu)與LTC7821、TI的三段式，相互為不同方案；另有 諧振改進(jìn)專利CN110266184B/US10873260B2和CN 110393744B。另近年多有PEAC/IEEE論文討論分析了不同電 荷泵變形的混合降壓結(jié)構(gòu)用于高變比降壓。

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