電荷泵（charge pump）

原創

xjw1874

2018-08-31 04:45

電荷泵(chargepump)又稱爲開關電容DC-DC變換器(switchedcaPACi-torvoltageconverter)，在和基於電感的DC-DC開關電源相比較的時候，又稱之爲無感式DC-DC電源變換器。電荷泵採用電容爲開關和儲能元件，與採用電感作爲儲能元件的電感式開關DC-DC轉換器相比，電荷泵的主要優點如下：

高效率；

體積小；

低靜態電流；

最低工作電壓更低；

低噪聲；

低電磁干擾。因爲沒有磁場的高速變換，即電一磁、磁一電的高速變換，而只有對電容的高速充、放電過程，電磁干擾問題幾乎可以忽略；

從目前實用的硅集成技術來看，電容的集成比電感的集成更爲容易和廉價，電荷泵也就更容易實現高度集成：

輸出電壓的調節範圍更大；

對整體應用電路而言，成本低。

　　目前實用的電荷泵的主要不是則是很難實現大功率、高電壓應用，在這些方面，目前電感式開關DC-DC轉換器還有着無可比擬的優勢。具體而言，電荷泵目前主要的用途如下：

　　小功率倍壓、電壓反轉應用，典型的應用如單電源的5V、3V系統爲RS232等串行系統提供±12的信號電平。

　　電壓反轉應用，典型應用如現在開始流行的無電容實地輸出的耳機放大器IC，這些耳放IC單電源供電，內部集成了電荷泵，因此可以實現即不需要輸出電容，耳機的公共端也可以直接接地，典型產品如MAX4411以及OPA4411。

　　倍壓應用，目前主流應用是驅動LED尤其白光LED，在電池供電的手機、數碼相機等領域，爲LED背光照明和LED閃光燈提供合適的電源。另一個很廣泛的應用是爲EEPROM和flash存儲器提供讀寫電源，這些存儲器IC的電源軌一般是1.8V、3.3V，而讀取需要+5V，擦寫需要12V，將電荷泵集成到這些存儲器IC中，就可以實現單一電源供電。

一、電荷泵的基本原理

電荷泵的基本原理是給電容充電，把電容從充電電路取下以隔離充進的電荷，然後連接到另一個電路上，傳遞剛纔隔離的電荷。我們形象地把這個傳遞電荷的電容看成是“裝了電子的水桶”。從一個大水箱把這個桶接滿，關閉龍頭，然後把桶裏的水倒進一個大水箱[8]。電荷泵也稱爲開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容，而非電感或變壓器來儲能的DC-DC變換器（直流變換器）。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用於產生負電壓。其內部的MOSFET開關陣列以一定的方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(1/2,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。

電荷泵的電壓變換在兩個階段內實現。在第一個階段，開關S1和S2關閉，而開關S3和S4打開，電容C1充電到輸入電壓：

在第二階段，開關S3和S4關閉，而S1和S2打開。因爲電容C1兩端的電壓降不能立即改變，輸出電壓跳變爲輸入電壓的兩倍。

電荷泵解決方案在應用中也有缺點，其主要缺點是：

只能提供有限的輸出電壓範圍，絕大多數電荷泵的轉換比率最多隻能達到輸入電壓的2倍，這表示輸出電壓不可能高於輸入電壓的2倍。

二、電荷泵電路分析

圖中自舉升壓電路解析（電荷泵工作原理）：

1、上電時：電源+11V流過D1、D2向C3充電，C3上的電壓很快升至接近11V；

2、如果Q6導通，C1負極被拉低，C1形成充電迴路，會很快C1充電至11V;

3、當PWM波形翻轉，Q6截止，Q3導通，C1負極電位被擡高到接近電源電壓11V，水漲船高，此時C1正極電位已超過電源電壓，並高於C3端電壓。因爲D1的存在，該電壓不會向電源倒流；

4、此時開始先C3充電，C3上的端電壓被充至接近2倍電源電壓22V；

5、只要Q3、Q6一直輪流導通和截止，C1就會不斷向C3充電，使C3端電壓一直保持22V的電壓。

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