電荷泵的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用

電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器是一種DC/DC變換器，它將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負(fù)電壓，即VOUT= -VIN。另外，它也可以把輸出電壓轉(zhuǎn)換成近兩倍的輸入電壓，即VOUT≈2VIN。由于它是利用電容的充電、放電實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移的原理構(gòu)成，所以這種電壓反轉(zhuǎn)器電路也稱為電荷泵變換器（Charge Pump Converter）。

電荷泵的應(yīng)用

電荷泵轉(zhuǎn)換器常用于倍壓或反壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換。電荷泵電路采用電容作為儲(chǔ)能和傳遞能量的中介，隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，新型電荷泵電路的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)1MHz。電荷泵有倍壓型和反壓型兩種基本電路形式。

電荷泵電路主要用于電壓反轉(zhuǎn)器，即輸入正電壓，輸出為負(fù)電壓，電子產(chǎn)品中，往往需要正負(fù)電源或幾種不同電壓供電，對(duì)電池供電的便攜式產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，增加電池?cái)?shù)量，必然影響產(chǎn)品的體積及重量。采用電壓反轉(zhuǎn)式電路可以在便攜式產(chǎn)品中省去一組電池。由于工作頻率采用2～3MHz，因此電容容量較小，可采用多層陶瓷電容（損耗小、ESR 低），不僅提高效率及降低噪聲，并且減小電源的空間。

雖然有一些DC/DC 變換器除可以組成升壓、降壓電路外也可以組成電壓反轉(zhuǎn)電路，但電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器僅需外接兩個(gè)電容，電路最簡(jiǎn)單，尺寸小，并且轉(zhuǎn)換效率高、耗電少，所以它獲得了極其廣泛的應(yīng)用。

目前不少集成電路采用單電源工作，簡(jiǎn)化了電源，但仍有不少電路需要正負(fù)電源才能工作。例如，D/A 變換器電路、A/D 變換器電路、V/F或F/V 變換電路、運(yùn)算放大器電路、電壓比較器電路等等。

自INTERSIL公司開(kāi)發(fā)出ICL7660電壓反轉(zhuǎn)器IC后，用它來(lái)獲得負(fù)電源十分簡(jiǎn)單，90 年代后又開(kāi)發(fā)出帶穩(wěn)壓的電壓反轉(zhuǎn)電路，使負(fù)電源性能更為完善。對(duì)采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，采用電荷泵變換器來(lái)獲得負(fù)電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數(shù)量、減少產(chǎn)品的體積、重量，并且在減少能耗（延長(zhǎng)電池壽命）方面起到極大的作用?，F(xiàn)在的電荷泵可以輸出高達(dá)250mA的電流，效率達(dá)到75%(平均值)。

電荷泵大多應(yīng)用在需要電池的系統(tǒng)，如蜂窩式電話、尋呼機(jī)、藍(lán)牙系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備。便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展神速，對(duì)電荷泵變換器提出不同的要求，各半導(dǎo)體器件公司為滿足不同的要求開(kāi)發(fā)出一系列新產(chǎn)品，本文將作一個(gè)概況介紹。

電荷泵的分類

電荷泵可分為：

· 開(kāi)關(guān)式調(diào)整器升壓泵，如圖1(a)所示。

· 無(wú)調(diào)整電容式電荷泵，如圖1(b)所示。

· 可調(diào)整電容式電荷泵，如圖1(c)所示。

圖1 電荷泵的種類

電荷泵工作過(guò)程

3 種電荷泵的工作過(guò)程均為：首先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。開(kāi)關(guān)式調(diào)整器升壓泵采用電感器來(lái)貯存能量，而電容式電荷泵采用電容器來(lái)貯存能量。

電荷泵的結(jié)構(gòu)

電容式電荷泵通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升，采用電容器來(lái)貯存能量。電荷泵是無(wú)須電感的，但需要外部電容器。由于工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容(1mF)，使空間占用小，使用成本低。

電荷泵僅用外部電容即可提供±2 倍的輸出電壓。其損耗主要來(lái)自電容器的ESR(等效串聯(lián)電阻)和內(nèi)部開(kāi)關(guān)晶體管的RDS(ON)。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它的輸出電壓是工廠生產(chǎn)精密預(yù)置的,調(diào)整能力是通過(guò)后端片上線性調(diào)整器實(shí)現(xiàn)的，因此電荷泵在設(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動(dòng)空間。電荷泵十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。從電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看,如圖2 所示它實(shí)際上是一個(gè)片上系統(tǒng)。

圖2 電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)

作為一個(gè)設(shè)計(jì)工程師選用電荷泵時(shí)必然會(huì)考慮以下幾個(gè)要素：

1. 轉(zhuǎn)換效率要高

無(wú)調(diào)整電容式電荷泵 90%

可調(diào)整電容式電荷泵 85%

開(kāi)關(guān)式調(diào)整器 83%

2. 靜態(tài)電流要小，可以更省電；

3. 輸入電壓要低，盡可能利用電池的潛能；

4. 噪音要小，對(duì)手機(jī)的整體電路無(wú)干擾；

5. 功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機(jī)設(shè)計(jì)更小巧；

6. 足夠的輸出調(diào)整能力，電荷泵不會(huì)因工作在滿負(fù)荷狀態(tài)而發(fā)燙；

7. 封裝尺寸小是手持產(chǎn)品的普遍要求；

8. 安裝成本低，包括周邊電路占PCB 板面積小，走線少而簡(jiǎn)單；

9.具有關(guān)閉控制端，可在長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。

審核編輯：郭婷