電荷泵的工作原理是什么？電荷泵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹

電荷泵是一種增加或反轉(zhuǎn)直流電壓的電壓變換器。例如，+5V可以轉(zhuǎn)換為+10V或-5V（或更高/更低的值）。與升壓轉(zhuǎn)換器相比，電荷泵需要更少的元件和PCB空間，而且更便宜。然而，電荷泵的局限性在于它們只能提供相對(duì)較小的電流。由于低電流的限制，電荷泵最適合于信號(hào)（通信）或驅(qū)動(dòng)LCD背光等應(yīng)用。以往常見的應(yīng)用是生成+3V至+15V和-3V至-15V的RS232通信收發(fā)器（如MAX232）。

原理

電荷泵的工作原理非常簡(jiǎn)單。我們了解電力的第一件事是，如果我們串聯(lián)電池，則會(huì)增加電壓。

另一個(gè)電力基礎(chǔ)是電容器就像小型電池。

如果我們能用電壓源給電容器充電，然后迅速將其與電壓源串聯(lián)重新定位，那么我們就能將電壓提高一倍（就像將電池串聯(lián)起來增加其電壓的方式一樣）。在電路中，可以用開關(guān)重新定位--無論是機(jī)械的（物理開關(guān)或電磁繼電器）還是固態(tài)的（晶體管/二極管）。就產(chǎn)生負(fù)電壓而言，這只是將電容器重新定位，使其帶正電的一端與電壓源的負(fù)端相連。

該原理也可以縮放，因?yàn)榭梢栽陔妷涸瓷喜⒙?lián)充電任意數(shù)量的電容器，然后在堆棧中重新定位。

電荷泵原理圖

在原理圖上，上述配置可以按如下方式完成：

截圖是在切換瞬間后拍攝的，這時(shí)電容器已經(jīng)略微放電了。

電壓反轉(zhuǎn)如下所示：

當(dāng)然，如果有任何負(fù)載，則電容器將立即開始放電，因此有必要在并聯(lián)和串聯(lián)配置之間不斷來回切換電容器，以便繼續(xù)充電。

為了在開關(guān)時(shí)保持輸出電壓相對(duì)恒定，我們可以在輸出端添加另一個(gè)電容器。

這在一定程度上平滑了輸出。

然而，讓人來回?fù)軇?dòng)開關(guān)來運(yùn)行電荷泵顯然是不切實(shí)際的，為了保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的輸出電壓，需要用一個(gè)大小適中的電容器進(jìn)行非?？焖俚那袚Q；因此需要一個(gè)快速的時(shí)鐘信號(hào)來運(yùn)行切換。

時(shí)鐘電荷泵

在上述電路中，一個(gè)MC34063降壓轉(zhuǎn)換器將25V電壓降至5V。開關(guān)晶體管集成在控制器內(nèi)，因此不需要外部晶體管?？刂破魇褂梅答?a target="_blank">電阻R2/R3監(jiān)測(cè)輸出電壓，并在負(fù)載處保持一個(gè)恒定的輸出電壓。給定一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，我們可以將該信號(hào)連接到一個(gè)電容器的負(fù)極，并通過一個(gè)二極管將電容器的正極連接到正電壓源。

當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為低電平（0V）時(shí)，電容器將通過二極管向正電源電壓充電（減去二極管上的電壓降）。

當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)（電源電壓，本例中為+1.5V），那么存儲(chǔ)在充電電容中的電壓將被加到其負(fù)極的電壓之上，導(dǎo)致輸出電壓翻倍。

二極管可以防止電容器向電源電壓放電，其結(jié)果是，時(shí)鐘電壓增加了一倍。

為了平滑輸出電壓，我們可以在輸出端再加一個(gè)電容和一個(gè)二極管，防止它在時(shí)鐘周期的低電平階段反向放電。

我們現(xiàn)在有一個(gè)非常平穩(wěn)的輸出電壓。

由于二極管上的壓降（1.5V對(duì)于電源電壓非常低，二極管上的壓降比例相對(duì)較大 - 在5V/9V/等電源電壓下相對(duì)較小）以及實(shí)際電子元件的非理想性質(zhì)（如內(nèi)阻），平滑輸出電壓不是輸入電壓的兩倍，然而，它被升壓明顯高于電源電壓，我們可以通過調(diào)整原理和增加更多的泵級(jí)來進(jìn)一步提升它。

Dickson電荷泵

增加額外的泵級(jí)需要一個(gè)倒置的時(shí)鐘?？梢杂靡粋€(gè)簡(jiǎn)單的N-MOSFET和上拉電阻完成時(shí)鐘倒置：

但是，這只適用于更高的電源電壓，因?yàn)榈湫蚇-MOSFET的柵極閾值電壓約為2.1V，因此此時(shí)我們將切換到+5V電源。

我們將倒置的時(shí)鐘連接到第二階段電容的負(fù)極：

讓我們分析一下這是如何工作的（為了簡(jiǎn)單起見，忽略了二極管/晶體管上的電壓降）。

最初時(shí)鐘為低電平，第一級(jí)電容充電至電源電壓（+5V）。第二級(jí)電容器還沒充電，因?yàn)樗恼龢O和負(fù)極引腳上都有電源電壓。

接下來，時(shí)鐘變成高電平，第二階段像之前那樣被充電到+10V。

現(xiàn)在，時(shí)鐘再次變?yōu)榈碗娖?，?dǎo)致倒置的時(shí)鐘變?yōu)楦唠娖剑F(xiàn)在充電的第二階段電容器提升到3倍電源電壓（+15V）。

同樣，由于二極管上的電壓降和不完全理想的實(shí)際組件，輸出電壓不完全是+15V，但肯定是電源電壓的兩倍以上。

這個(gè)過程可以鏈接和縮放以產(chǎn)生任意高的輸出電壓。這種類型的電荷泵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱為Dickson電荷泵。

Marx 發(fā)生器

另一個(gè)有趣的設(shè)計(jì)是Marx 發(fā)生器：

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，火花隙被用作開關(guān)?；鸹ㄏ妒窍嗑嘁欢ň嚯x的導(dǎo)體，一旦它們兩端的電壓高于絕緣體擊穿電壓（空氣約為30kV/cm），就會(huì)導(dǎo)電。一旦所有并聯(lián)電容器都充電，就會(huì)通過觸發(fā)第一個(gè)火花隙來引發(fā)跨越火花隙的連鎖反應(yīng)。使用這種技術(shù)，可以產(chǎn)生數(shù)十萬伏特的電位。

電荷泵IC

將我們的思維方式切換回普通電子產(chǎn)品，值得一提的是，有方便的集成電路（IC）可用，可以簡(jiǎn)化在設(shè)計(jì)中添加電荷泵的過程，只需要一個(gè)電源電壓和兩個(gè)電容器，例如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TC7660。