电荷泵浦(Charge Pump)也称为电容切换式调压,除了调压元件本身外,只要在外部搭配几个电容元件即可,不过其外部电容是用来储能而非滤波,需要较大的体积,因此电荷泵浦的电路占用面积多比线性降压大,此外电荷泵浦是运用切换技术来调整电压准位,所以会有EMI影响,且电压位准的摆荡较线性降压为大。
附註:「切換式」在一些書籍中也翻譯成「交換式」、「開關式」,英文原文都是指「Switch」。 附注:「切换式」在一些书籍中也翻译成「交换式」、「开关式」,英文原文都是指「Switch」。
此外,電荷泵浦不像線性降壓只能用於降壓(Buck),也能用於升壓(Boost)及電壓反向(Invert,或稱:電壓反相,亦有人翻譯成:電壓反轉),當用於升降壓時,其升降幅度最好為原輸入電壓的簡單倍數,如1.5倍、2.0倍等,如此電源轉換效率才會高,理想情況可達90%以上,倘若調整的不是簡單倍數,則轉換效率就會降低,最差可能會低過70%,一般而言為了避免轉換程序的無謂耗能,設計上都盡可能使用簡單倍數性的升降壓。 此外,电荷泵浦不像线性降压只能用于降压(Buck),也能用于升压(Boost)及电压反向(Invert,或称:电压反相,亦有人翻译成:电压反转),当用于升降压时,其升降幅度最好为原输入电压的简单倍数,如1.5倍、2.0倍等,如此电源转换效率才会高,理想情况可达90%以上,倘若调整的不是简单倍数,则转换效率就会降低,最差可能会低过70%,一般而言为了避免转换程序的无谓耗能,设计上都尽可能使用简单倍数性的升降压。
值得注意的是,即便是以簡單倍數來升降調整,也不可能是無限度的升降,例如到12.0倍、-9.5倍等,升降倍數取決於外部的儲能電容,由於手持裝置的置納空間有限,也因此限縮電容可用的體積,進而讓倍數受限,就務實面來看很少有超過3.0倍的升降調整。 值得注意的是,即便是以简单倍数来升降调整,也不可能是无限度的升降,例如到12.0倍、-9.5倍等,升降倍数取决于外部的储能电容,由于手持装置的置纳空间有限,也因此限缩电容可用的体积,进而让倍数受限,就务实面来看很少有超过3.0倍的升降调整。
▲供應電源的電壓調整、轉換主要也有三種,即是:降壓(Buck)、升壓(Boost)、反相(Invert)。 ▲供应电源的电压调整、转换主要也有三种,即是:降压(Buck)、升压(Boost)、反相(Invert)。 其中線性技術只能提供降壓功效,而無論電容型還是電感型切換都能夠提供降壓、升壓、反相等三種處理、轉換、調節功效。 其中线性技术只能提供降压功效,而无论电容型还是电感型切换都能够提供降压、升压、反相等三种处理、转换、调节功效。 (插圖設計:郭長祐) (插图设计:郭长佑)
同時,電容體積與電容蓄電能量的大小不僅影響輸出電壓的倍數,也影響可輸出的最大電流,使得電荷泵浦在手持應用中不易提供超過300mA∼400mA的電流量(以每組轉換系統而言)。 同时,电容体积与电容蓄电能量的大小不仅影响输出电压的倍数,也影响可输出的最大电流,使得电荷泵浦在手持应用中不易提供超过300mA∼400mA的电流量(以每组转换系统而言)。
■ 切換式調壓 ■ 切换式调压
老實說,電荷泵浦調壓與切換式調壓在轉換原理上都屬於「切換式調壓」,只是電荷泵浦以電容為主,而切換式以電感為主,如此之別而已,但稱呼上卻容易誤以為只有切換式調壓是運用「切換原理」,且也容易誤會「電荷泵浦」與「切換式調壓」毫無關係,以為兩者是截然不同的電壓調整方式。 老实说,电荷泵浦调压与切换式调压在转换原理上都属于「切换式调压」,只是电荷泵浦以电容为主,而切换式以电感为主,如此之别而已,但称呼上却容易误以为只有切换式调压是运用「切换原理」,且也容易误会「电荷泵浦」与「切换式调压」毫无关系,以为两者是截然不同的电压调整方式。
既然原理相同,那麼「切換式調壓」也與「電荷泵浦」一樣,也能行使「升壓」、「降壓」、「反相」等供電轉換、調整,且電源轉換效率高於電荷泵浦,同時不像電荷泵浦需要以簡單倍數式調升、調降才能讓電源轉換率提高。 既然原理相同,那么「切换式调压」也与「电荷泵浦」一样,也能行使「升压」、「降压」、「反相」等供电转换、调整,且电源转换效率高于电荷泵浦,同时不像电荷泵浦需要以简单倍数式调升、调降才能让电源转换率提高。
但是,切換式調壓也有其缺點,其轉換元件的外部不僅需要用上電容也要用上電感,還要有功率型電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;MOSFET。金屬互補半導體場效電晶體,用於電路的開關切換),甚至是基納二極體(Zener Diode;ZD),由於外部元件過多,且多是功率型的大元件,使得切換式調壓在電路佈局設計上最耗佔空間,同時EMI電磁干擾的嚴重性也高於電荷泵浦,這又讓佈局設計的規劃更加困難,必須避免讓切換式調壓的切換雜訊影響到其他電路的運作。 但是,切换式调压也有其缺点,其转换元件的外部不仅需要用上电容也要用上电感,还要有功率型电晶体(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;MOSFET。金属互补半导体场效电晶体,用于电路的开关切换),甚至是基纳二极体(Zener Diode;ZD),由于外部元件过多,且多是功率型的大元件,使得切换式调压在电路布局设计上最耗占空间,同时EMI电磁干扰的严重性也高于电荷泵浦,这又让布局设计的规划更加困难,必须避免让切换式调压的切换杂讯影响到其他电路的运作。
當然! 当然! 既然切換式調壓的電源轉換率最高(可達95%以上),無用的廢熱消散較少,加上佔用面積、空間大,所以散熱方面的問題也少於前述的兩種調整、轉換法,但缺點除了EMI雜訊發散強之外,供電電壓的漣波因素也較大,大過前述的兩者,這表示其在電源潔淨度上的表現也最不理想,電源品質較差。 既然切换式调压的电源转换率最高(可达95%以上),无用的废热消散较少,加上占用面积、空间大,所以散热方面的问题也少于前述的两种调整、转换法,但缺点除了EMI杂讯发散强之外,供电电压的涟波因素也较大,大过前述的两者,这表示其在电源洁净度上的表现也最不理想,电源品质较差。
不過,切換式調壓也無法隨時保持在高轉換效率的狀態,當用電的負載較小,耗用的電流較小時,切換式調壓的轉換效率也會轉差,為了持續保持高度的轉換效率,通常有兩種方式可以因應,一是使用PWM(Pulse Width Modulation,脈波寬度調變)法,另一則是使用PFM(Pulse Frequency Modulation,脈波頻率調變)法,兩者只要擇一而用便能維持轉換效率。 不过,切换式调压也无法随时保持在高转换效率的状态,当用电的负载较小,耗用的电流较小时,切换式调压的转换效率也会转差,为了持续保持高度的转换效率,通常有两种方式可以因应,一是使用PWM(Pulse Width Modulation,脉波宽度调变)法,另一则是使用PFM(Pulse Frequency Modulation,脉波频率调变)法,两者只要择一而用便能维持转换效率。
所謂PWM法,就是改變MOSFET開關的導通時間,但切換頻率維持不變,相對的PFM法是維持導通時間不變但改變切換頻率。 所谓PWM法,就是改变MOSFET开关的导通时间,但切换频率维持不变,相对的PFM法是维持导通时间不变但改变切换频率。
另外,由於手持裝置的內部空間有限,且切換式開關的外部電容、電感相當耗佔空間(尤其設計上是要求能高量供電時,即要求能提供較高的電流量給負載時),此一情形可以透過切換頻率的提升來改善,切換頻率提高就可使外部電容、電感量的倚賴度降低,進而縮減電路佔用面積。 另外,由于手持装置的内部空间有限,且切换式开关的外部电容、电感相当耗占空间(尤其设计上是要求能高量供电时,即要求能提供较高的电流量给负载时),此一情形可以透过切换频率的提升来改善,切换频率提高就可使外部电容、电感量的倚赖度降低,进而缩减电路占用面积。
然而提高切換頻率也非萬全之道,對應的後遺症就是造成切換雜訊的增加,所以切換頻率與電磁雜訊必須在設計條件下進行折衷取捨才行,不能一味地提升切換頻率。 然而提高切换频率也非万全之道,对应的后遗症就是造成切换杂讯的增加,所以切换频率与电磁杂讯必须在设计条件下进行折衷取舍才行,不能一味地提升切换频率。
至於切換式轉換元件的最新技術發展為何? 至于切换式转换元件的最新技术发展为何? 關於此主要在於提升最高的輸出電流量、縮減外部元件數、提高切換頻率等,提升最高可供應的電流量主要是因為切換式調壓的電源轉換效率高(尤其在高電流用量時),適合供電給較耗電的應用元件及電路。 关于此主要在于提升最高的输出电流量、缩减外部元件数、提高切换频率等,提升最高可供应的电流量主要是因为切换式调压的电源转换效率高(尤其在高电流用量时),适合供电给较耗电的应用元件及电路。
而縮減外部元件數,主要是將電容、電晶體、二極體等,運用半導體整合技術內建到切換式轉換元件中,使外部佔用面積獲得縮減,以便更適合運用在手持式裝置的設計上,唯一不能內建的是電感元件,今日的平面固態半導體技術仍無法將電容進行縮體化整合,只有電容、電阻可以。 而缩减外部元件数,主要是将电容、电晶体、二极体等,运用半导体整合技术内建到切换式转换元件中,使外部占用面积获得缩减,以便更适合运用在手持式装置的设计上,唯一不能内建的是电感元件,今日的平面固态半导体技术仍无法将电容进行缩体化整合,只有电容、电阻可以。 再來是切換頻率的提升,提升用意已如前所述,高頻切換有助於縮小電容、電感值,所以也在於縮小電源轉換系統的體積。 再来是切换频率的提升,提升用意已如前所述,高频切换有助于缩小电容、电感值,所以也在于缩小电源转换系统的体积。
▲三種電源調節、轉換技術各有其優缺點,線性技術的優點是佔用空間小、供電品質佳,但轉換效率差(視壓降程度),相對的切換式(電感型)技術的優點是轉換效率高(視負載功耗),但供電品質較不理想,佔用空間也大,而電容型切換技術則在各項表現上都居中。 ▲三种电源调节、转换技术各有其优缺点,线性技术的优点是占用空间小、供电品质佳,但转换效率差(视压降程度),相对的切换式(电感型)技术的优点是转换效率高(视负载功耗),但供电品质较不理想,占用空间也大,而电容型切换技术则在各项表现上都居中。 此外散熱也與轉換效率相關連,EMI雜訊干擾也與空間性有所關連。 此外散热也与转换效率相关连,EMI杂讯干扰也与空间性有所关连。 (插圖設計:郭長祐) (插图设计:郭长佑) |