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Charge pump는 전원이 갖고있는 voltage 보다 높거나 낮은 전압의 power source를 만들기 위해서 capacitor를 이용하는 일종의 DC to DC converter라고 할 수 있습니다. Charge pump와 DC to DC converter 모두 다 전압을 변환해주는 회로이지만, 굳이 구분을 하자면 가장 큰 차이점은 charge pump의 경우 에너지를 저장하기 위해서 capacitor를사용하기 때문에 소형으로 제작 할 수있고 90~95%의 매우 높은 효율을 갖지만, 최대 흘릴 수 있는 전류가 적은게 단점일 수 있습니다. 이에 비해서, 일반적인 DC to DC converter는 inductor를 사용하기 때문에 charge pump에 비해 비교적 사이즈가 크며 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다. 이러한 trade off 관계를 가지고 있기 때문에, 사용하려는 용도에 맞게 잘 선택해야 합니다.
Charge pump는 capacitor와 전원의 연결을 스위치를 이용해 제어하면서 출력전압을 변경합니다. 아래 그림은, 낮은 공급 전압으로부터 높은 전압을 출력하기 위한 예를 보여줍니다. 첫번째 단계에서, S1과 S3 스위치는 닫히고 capacitor에는 Vdd와 같은 전압이 충전됩니다. 두번째 단계에서, S2 스위치를 닫음으로써 capacitor의 아래 부분을 potential Vdd로 가정하면, capacitor는 첫 번째 단계로부터 Vdd*C의 값이 충전되어 유지됩니다. 이러한 상태를 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있습니다.
그러므로, 출력에 부하가 없는 경우에, 입력 전압에 비해 두 배의 출력전압을 얻을 수 있습니다.
출력의 부하를 갖기 위해서는, 아래 그림과같이 출력 capacitance를 추가하여 회로를 수정하여야 합니다. 이 경우에, 이상적인 출력전압은 다음과 같습니다.
만약 부하 R_L이 존재한다면, 출력전압에 ripple voltage V_R이 존재할 수 있습니다. 하지만, V_out에 비해서 V_R을무시할 수 있도록 C_out을 충분히 크게 사용한다면 ripple voltage는 줄일 수 있습니다. 다른 방법으로는 스위치의스위칭속도를 Mhz 단위로 빠르게 동작시켰을 때도 ripple voltage는 줄일 수 있습니다. 두배 보다 더 큰전압을 얻기 위해서는 더 많은 capacitor를 계속해서 연결하여 얻을 수 있습니다.
또한, charge pump 회로는 앞서 설명한 전압변환 이외에도 PLL를 구현하기 위해서도 사용할 수 있습니다. 이와 관련된 내용은 이곳에 정리가 잘 되어있습니다.
- Reference
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Charge_pump
[2] Louie Pylarinos, Charge Pumps: An Overview, http://www.eecg.utoronto.ca/~kphang/ece1371/chargepumps.pdf
