关于Charge pump的介绍和应用

传统电路的工作电压通常都是很高的，这从CPU的工作电压的发展也能看出来。

我刚参加工作的时候，所有接触到的CPU的工作电压都是5V的，常用的TTL电路的工作电压也是5V，比较新的CMOS集成电路的工作电压可以低到3V，但大多还是用在5V的环境下。但在后来就慢慢出现3.3V工作的器件了，再后来又有2.5V的，1.8V的，1.5V的，1.2V的。实际上，今天的CPU或MCU的核心工作电压甚至可以低于1伏。电压的降低使得器件的运行速度得到极大的提高，CPU的集成度也不知道提高了多少倍，整体性能越来越强，很简单的一颗MCU就可以比过去的大型计算机还要强，完全是一幅全新的图景。

当核心电路的工作电压降低了的时候，完成电源供应的芯片也会发生相应的变化，低输入、低输出的器件会成为常见之物。以锂离子电池为电源供应的场合，很多电源器件的最低工作电压都是2.xV，这样的最低工作电压可以满足锂离子电池的电能即将被耗尽时的需求，使得系统总是能够在电池还有电时得到稳定的电源供应。

现在假设一个系统以12V电源为输入，系统需要1.5V和1V的两组电压，而且1V的电流消耗不是太大，这时候可能最好的做法之一就是使用一个Buck转换器从12V经过转换得到1.5V电压，再经一个低压差的线性稳压器从1.5V转换得到1V的输出。这样做的最大好处是避免了采用Buck转换器得到1V的复杂性，成本也相应得到降低，效率表现也还不错，因为用线性稳压器从1.5V转到1V的效率是比较高的。

当我们要实现上述构想的时候却会遇到一点问题，1.5V的电压太低了，以这样的输入来工作的线性稳压器可能不能正常工作，即使能工作，其性能也不会太好。之所以如此，是因为构成线性稳压器电路的晶体管是需要有足够的驱动电压变化空间的，其内部的各种电路也需要有足够的电压才能表现出足够好的性能。

解决这种问题的一种方法是从外部引入比较高的驱动电压，如下图所示的样子：

这个电路在应用中看起来会稍显复杂，因为要引入外部高电压就自然需要相应的接口和一些辅助措施，还需要系统中一定要有相应的高电压存在，而这不是总是有保障的。

对于使用者来说，最简单的电路还是像下图所示的样子：

从这个图中你是看不出来什么特别之处的，但满足低输入电压工作的能力已在器件自身内部具备了，因为它引入了电荷泵，自动在内部将输入电压升高成为一个高电压，使得内部电路可以在低输入电压下也能工作得很好，下图所示的内部框图中的VPUMP指示出了这个内部电路的存在。

由于内部Charge Pump的存在，RT9048的正常工作电压可以低达1.4V，非常适合低输入电压场合的应用。

在以计算机为核心的个人应用中，最成功的接口应该是USB。传统的USB接口都以5V作为供电的标准电压，但今天这个标准已经升级了，5V这个标准已经改变了，它变成了3.xV~20V可调的了，最大的工作电流可以达到5A，可以传输100W的电能，而且传输的方向也是可以改变的，这就是USB电源供应（USB PD）协议给我们带来的变化。

USB PD已经有多个版本。它的第一个版本是通过传统的USB总线的VBUS来进行协议传输的，协议的传输过程通过高频调制信号实现。这个协议的实现基于传统的总线接口，可惜完全没有考虑到信号完整性的问题，几乎成了一个废物。

USB PD的第二个版本随着USB Type-C接口的面世而出现，这让它变得真正地实用化。C型接口具有专用的CC通道，它可以对USB接口中的各方特性进行标识，使得不同的设备、电缆可以顺利实现互联互通，却又不会超出各自的能力范围，成为一个和谐的整体。USB PD借助C型接口的CC通道进行信息传递，可让USB连接中的各方能够随时进行信息交流，根据实际的需要完成供需关系的调整，自动实现角色互换、电压变换和电流限制的设定。

由于USB Type-C型接口以及在此基础上的USB PD协议的诸多好处，一场新的变革正在全球发生，C型接口已经成为众多厂商的全新选择，标榜自己已经采用了这一接口成为全新的广告语，由此可见业内人士对它是多么的看重。

去年（2015年）下半年，USB IF在美国组织了一次专门针对USB Type-C和PD相关产品的插拔大会，会议将各个厂商带到现场的自有相关产品进行互连测试，以此验证各家产品的兼容性、安全性等各个方面，既为各大厂商提供验证的机会，也将各大厂商的能力进行了充分的检验。立锜作为参与者之一，有幸成为在最后离开时还能带走完好试验品的几个厂商之一。之所以还有很多厂商不能带走完好的试验品，是因为很多试验品都在插拔试验中阵亡了。

立锜带去参加插拔大会的产品是采用USB PD协议的AC/DC适配器，它的电路图大概是这样的：

你从图中可以看出来它是由RT7786和RT7207构成的AC/DC电源转换器，但这与传统的AC/DC电源适配器可是有很大的差别，因为它是按照USB PD的标准来实现的。用今天的标准符合状况来看，它还支持USB PD 2.0/3.0/SCP/QC2.0/QC3.0，对于了解手机行业快充技术发展的人来说，这些标准我不用说你也是知道它们意味着什么的，只是我还没有提到任何关于MTK（联发科）的快充标准，它与前述的几个标准是有差异的，而立锜作为联发科旗下的电源产品供应商，支持它的充电标准正是责无旁贷的。所以在实际上，这个方案也是满足联发科的快充要求的。

之所以RT7207能满足那么多的标准，这是由它的应用的灵活性决定的。实际上，它是一颗内含32位MCU ARM Cortex-M0的器件，很多端口的用途都是可以根据需要改变的，只要它的内部软件根据需要稍作调整，全新的功能即可实现。所以，当我看到媒体上说某某公司首先宣布自己支持什么协议的时候，我只能是偷偷的乐一乐。我们什么都不宣布，我们悄悄地做就是了，了解立锜的人自然知道我们在做什么，而他们正是立锜的真正用户。

为了满足USB PD协议的需要和直接对电池充电的需要，上述AC/DC转换器的最低输出电压可以低到3V。3V的电压对于某些应用电路来说不是问题，但要驱动外部的N-MOSFET就会有不足，RT7207内部的线性电路工作起来也会有障碍。对于这样的问题，它怎么办呢？它也使用了电荷泵电路。下图就是它纳入电荷泵电路时的原理图：

V5是RT7207的5V电源端子，它的供电来自芯片的电源供应端VDD。当VDD电压太低时，图中的驱动器得到一个时钟方波信号，其输出端就会出现高低不同的脉动信号，泵电容CCP在此脉动信号的反复作用下充电、放电，V9端就得到足够高的电压了，最后在VG端就能输出足够高的驱动电压以驱动外部同步整流MOSFET开关。纳入了电荷泵电路的AC/DC适配器电路就如下图所示的样子：

关心USB PD应用和USB Type-C应用的读者现今能在立锜的官方网站上看到的相关信息是极少的，这是因为此类应用涉及到的规格、需求都有太多的变数，而立锜能够提供的产品又有很多，分别涉及供电端、用电端、电缆，实际的应用过程需要很多的交流才能确定最后的方案。所以，当你有特定的需求又不能得到满足时，请及时与立锜的各业务机构联系，以便获得专业的支持。