關(guān)于IC里的Charge Pump的原理分析和應(yīng)用介紹

做控制系統(tǒng)的工程師很可能用到過RS-232接口，這種接口在傳遞控制信號(hào)的時(shí)候會(huì)用到負(fù)電壓。但是，有很多系統(tǒng)的電源系統(tǒng)都只提供正電壓輸出，5V常常是這樣的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配備，這時(shí)候有很多人會(huì)選擇一款很古老的-5V電壓發(fā)生器——ICL7660，它能把+5V電壓轉(zhuǎn)換為-5V電壓，下圖是顯示了該IC內(nèi)部部分細(xì)節(jié)的原理框圖：

它在工作的時(shí)候，RC振蕩器產(chǎn)生的頻率為f的振蕩信號(hào)經(jīng)過二分頻以后變成5kHz，再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換器去控制模擬開關(guān)SW1~4。當(dāng)SW1/2導(dǎo)通時(shí)，SW3/4截止，C1與VDD和GND連接并被充電。當(dāng)SW1/2截止時(shí)，SW3/4導(dǎo)通，C1+端與GND連接，C1-端與VO連接，因而C1與C2并聯(lián)，C1上的電荷轉(zhuǎn)移至C2形成負(fù)壓輸出。由于這個(gè)過程是反復(fù)進(jìn)行的，C2上形成的輸出電壓就和VDD上的電壓相等并且極性相反，當(dāng)VDD電壓為+5V時(shí)，VO電壓就是-5V了。

ICL7660的輸出電壓VO是會(huì)隨著VDD電壓的變化而變化的，所以，如果應(yīng)用需要的電壓是固定的，在應(yīng)用時(shí)就還需要增加一個(gè)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，或者使VDD電壓是固定的，或者使最后的輸出電壓是固定的。

立锜以電荷泵為核心的器件有很多，它們大多以鋰離子電池驅(qū)動(dòng)LED為應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以在設(shè)計(jì)上有自己獨(dú)特的性能。

RT9361A和RT9361B是比較老的器件，它們的輸出電壓分別為固定的5V和4.5V，輸入電壓則可在2.8V~輸出電壓之間，其典型的應(yīng)用電路如下：

圖示負(fù)載指出了非常明確的應(yīng)用方向——驅(qū)動(dòng)LED，但實(shí)際上你要把它們作為穩(wěn)壓器來(lái)使用是完全沒有問題的。

RT9361的內(nèi)部電路框圖如下圖所示：

其中用MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)的開關(guān)就直接用開關(guān)來(lái)替代了，簡(jiǎn)單而明確，你不用去考慮驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯了。其中還有輸出電壓反饋回來(lái)的信號(hào)用于調(diào)節(jié)泵電容的充電電流，所以我們可以相信這種電路對(duì)輸入能量是有調(diào)節(jié)的，可以避免沒有調(diào)節(jié)的電路可能存在的一些附帶問題。由于工作頻率高達(dá)1MHz，電路需要使用的泵電容也可以比較小。

驅(qū)動(dòng)LED的時(shí)候需要把鋰離子電池的電壓提高，這是由于白光LED的工作電壓范圍比較寬的緣故，而這個(gè)范圍又和鋰離子電池的工作電壓范圍出現(xiàn)了相互的覆蓋，實(shí)在是不得已而為之。RT9361在實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的時(shí)候是直接采用升壓的辦法，但像下圖所示的電路就不再是升壓了：

在這里，LED的陽(yáng)極是直接和電池供電端VBAT/芯片供電端VIN連接在一起的，這里是電路中的電壓最高點(diǎn)。要想在所有情況下都能使LED發(fā)出正常的光，當(dāng)VBAT很低時(shí)，經(jīng)過LED以后的LED1~6端子處的電壓就會(huì)低于GND的電壓，所以，電路中就需要有負(fù)電源存在，而這個(gè)負(fù)電源就是由電荷泵電路生成的，上圖中的CFLY1和CFLY2就是這個(gè)電荷泵電路的泵電容，而電路中的VOUT端子則是這個(gè)泵電路的輸出?？纯聪聢D就會(huì)更清楚了：

由圖可見，VIN和VOUT之間是一個(gè)電荷泵電路，其輸出VOUT連接到LED1~6所連接的電流源（Current Source）的下面，成為該電路的負(fù)偏置電源。這樣我們就知道在VIN—LED—電流源—VOUT之間的電壓降是VIN – VOUT，由于VOUT為負(fù)，所以即使在VIN比較低時(shí)，電流源也有足夠的空間進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，可以確保輸出電流的穩(wěn)定。

在這里，電荷泵電路的輸入電壓是有很大的變化范圍的，再進(jìn)行簡(jiǎn)單的電壓極性反轉(zhuǎn)就會(huì)生成單一的VIN - VOUT = 2 VIN，這樣就會(huì)在輸入電壓較高時(shí)形成比較大的能量浪費(fèi)，因此這里的電荷泵電路具有x1、x1.5和x2等多種工作模式。當(dāng)它處于x1工作模式時(shí)，VOUT = 0V，這也意味著電荷泵電路沒有進(jìn)行電壓變換工作，因而VIN – VOUT = VIN。在x2模式下，VOUT = - VIN，因而 VIN- VOUT = 2 VIN，這就是我們前面介紹的反極性電源的模式。比較特別的是x1.5模式，此時(shí)，VIN – VOUT = 1.5 VIN，即 VOUT = - 0.5 VIN，電荷泵的輸出電壓只有輸入電壓的一半，這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？下面的圖形示意出其工作原理：

在狀態(tài)1時(shí)，泵電容C1和C2串聯(lián)，電池電壓VIN對(duì)其進(jìn)行充電。由于C1=C2，C1和C2的最終電壓都等于VIN的一半。

在狀態(tài)2時(shí)，C1、C2與Cout并聯(lián)。由于Cout要為負(fù)載供電，其電壓將略低于0.5VIN，C1/2的電壓比其略高，所以C1/2中的電荷將灌入Cout并使其電壓提升至接近0.5VIN。

狀態(tài)1和2反復(fù)進(jìn)行，則Cout中的電壓就總是處于接近0.5VIN的狀態(tài)，從而使得VOUT=-0.5VIN。這個(gè)電壓再和VIN-GND串聯(lián)為負(fù)載供電，最后得到的輸出電壓就是1.5VIN了，這就是x1.5模式的工作方式。

將若干個(gè)開關(guān)和電容C1/2、Cout與VIN、VOUT結(jié)合通過判斷輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系，控制器就會(huì)知道要在什么情況下對(duì)那些開關(guān)進(jìn)行控制，使得泵電路分別工作在x1、x1.5或x2模式下，輸出的穩(wěn)定就能得到保障了。

作為工程師，我們的重點(diǎn)是要了解工作原理，然后結(jié)合一定的推理，我們就可以在不同的狀況下知道電路是如何構(gòu)建的，他們又是如何工作的，再看到新電路的時(shí)候，我們就不會(huì)找不著方向了。

說(shuō)到這里，我想起來(lái)一款帶有限流限壓功能的熱插拔保護(hù)IC，它的型號(hào)是RT1720，其應(yīng)用電路大多數(shù)情況下是這樣的：

這個(gè)電路可以在5V~80V輸入下工作，其輸出電壓是受到限制的：當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓設(shè)定值時(shí)，MOSFET Q1是直接導(dǎo)通的，VOUT基本上就和VIN相等；當(dāng)輸入電壓高于設(shè)定的輸出電壓設(shè)定值時(shí)，MOSFET Q1將進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)使輸出電壓等于設(shè)定電壓。此電路對(duì)于電流的控制也與此類似，其目的就是要確保負(fù)載的安全，這在本質(zhì)安全型應(yīng)用中是非常重要的，對(duì)于存在LC振蕩的長(zhǎng)線傳輸場(chǎng)合也有巨大價(jià)值，它對(duì)防范電源接反可能帶來(lái)的災(zāi)害也有保護(hù)作用。

從此電路可以看到，其中所用的MOSFET是N型的，而我們都知道N型MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓是需要高于其源極電壓的，所以，我們可以知道這顆IC里是有升壓電路的，否則就無(wú)法對(duì)MOSFET進(jìn)行有效地控制。這個(gè)升壓電路是如何實(shí)現(xiàn)的呢？它所用的正是電荷泵電路，只是這個(gè)電荷泵電路是集成在IC內(nèi)部的，即便是泵電容也被集成了，不需要再外加實(shí)現(xiàn)。

另外，這個(gè)電荷泵電路在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候還需要考慮安全性問題，這是它與我們前面介紹的電路不一樣的地方。