电容式开关电源原理与应用：从基础理论到具体芯片详解

电容式开关电源原理与应用：从基础理论到具体芯片详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_39376872/article/details/144151668

电容式开关电源是一种利用电容作为储能元件的电源转换技术，具有低辐射、低成本、低面积、体积小、低静态电流、更低工作电压、低噪声等优点。本文将详细介绍电容式开关电源的分类、原理、设计要点以及具体芯片的应用。

一、电容式开关电源分类

电容式开关电源分为如下，非稳压型无法调节电压Vout随Vi变化，稳压型则可以调节电压Vout不随Vi变化。

• 开关管的内置与外置：老内置，新外置，一般外置的电流可以很大，内置的电流较小。
• 稳压型与非稳压型：非稳压型效率高，因为电压随着变化，效率99%甚至。

目前的手机快充方案大多为高压低流方案，优点是电流低因此在传输线上的损耗比较小，但是例如输入到手机20V 6A，如何降低到常规的5V呢，采用Buck肯定不现实，因为手机放不下下那么大的体积，因此一般采用电荷泵，转化为10V后，通过双电芯实现5V。体积小，效率高。

二、非稳压式电容式开关原理

电荷泵型稳压器又称为电容式开关稳压器、开关电容式变换器、开关电容DC-DC变换器，有时候也成为无感式DC-DC电源变换器。采用电容为开关和储能元件，和电感开关电源比，优点如下：低辐射、低成本、低面积、体积小、低静态电流、更低工作电压、低噪声。

1、单倍压电路

中间的电容又被称为飞跨电容，通过开关S1 S3与S2 S4，实现电容的充放电，从而使得输出＝输入，但是因为开关也有内阻，因此其构成了主要的损耗部分。

2、负压电路

不能看出，其本质是把Vout和GND进行了调换，同时引入C2电容。

3、双倍压电路

本质上，通过把输入端再次接到输出回路，使得Vout=Vin+C，而C是之前充满电的Vin，因此Vout≈2*Vin。

4、半压

如果上述电路把Vout和Vin改变一下位置，就可以实现半压电路。即串联充电，并联放电。

5、非整数倍压电路

可以看到，原先的电容变为了两个串联，因此输出Vout=Vin+C/2≈3/2Vin

6、注意事项

• 实际使用时尽量选择无极性电容，以防切换极性导致电路损坏；
• 尽量选择低ESR电容；
• 选择高温度工作范围的X7R X5R电容；
• 输入、输出电容越大，输入输出电压波动越小，可提供的电流越强。但是电容过大的话，会导致电流过大烧坏开关。一般取2倍的推荐数值。

7、纹波

Vo=Io/(foscCo)+2Io*ESRco

其中，fosc为开关频率，Co为电容，ESRco为电容的，而Io为输出电流无法变化。因此一般选择提高Co电容量，降低ESR(MLCC＜钽电容＜固态电容＜高频电解电容＜电解电容)。选择fosc较高的芯片。

8、PCB布局

确保CIN、CFLY、COUT靠近IC即可。CIN、COUT两侧也可以并联一个较小的电容，例如0.1uF、0.01uF，降低ESR且去耦等。

输出也可以加入RC低通滤波器等，但注意Rp电阻小一点，也可以选磁珠。

三、稳压型电容式开关（电容式开关稳压器）

一般而言，内部带了线性电源，参考电压与运放等内部构成或直接和LDO内部封装。因此效率会比无稳压型的要低。

五、非稳压型电荷泵

1、负压7660

Vout=-nVin，一般用于生成运放的负压，电流较小。

2、半压LTC7820 SC8551

一般用于手机充电器，需要空间需求场合的，一般使用内置开关管，其体积小。

六、稳压型电荷泵

1、升压HX4002

2、负压LM7705

这款为正压转负压后，在芯片内部具有一个LDO，使得输出一个很奇怪的-0.232V，这个在前面运放的章节讲过，给运放的负压端进行一个低压供电有很大的益处。