為什么要討論用來升壓的電荷泵電路呢？

今天我們一起來討論一下用來升壓的 電荷泵電路 （Charge Pump），也稱為 開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器 （Switched Capacitor Converter）。老粉絲都知道，公眾號(hào)很久之前就發(fā)布了一篇闡述電感、電容、二極管構(gòu)成的BOOST升壓方案的文章，那為什么還要討論電荷泵方案的升壓電路呢？它有什么優(yōu)勢呢？為什么在實(shí)際應(yīng)用中很少看到單獨(dú)的電荷泵升壓芯片呢？

為了解答這些問題，我們先來分析一下最簡單的2倍壓電荷泵升壓電路的工作原理，相應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

VDD為輸入供電電源，CF為浮置電容（Floating Capacitor，默認(rèn)狀態(tài)下未與任何網(wǎng)絡(luò)連接），CL為負(fù)載電容（Load Capacitor），開關(guān)S 1 ～S4可以由場效應(yīng)管構(gòu)成，它們由兩路互補(bǔ)的時(shí)鐘信號(hào)CLK1與CLK2控制，如下圖所示

假設(shè)在初始狀態(tài)下，CF與CL均沒有存儲(chǔ)電荷，且 時(shí)鐘為高電平時(shí)相應(yīng)的開關(guān)閉合，為低電平時(shí)相應(yīng)的開關(guān)斷開 。

當(dāng)t1時(shí)刻到來時(shí)，開關(guān)S 1 、S4閉合，S 2 、S3斷開，此時(shí)VDD對CF快速充電，充滿電后CF兩端的電壓為V DD ，其極性為上正下負(fù)，而VOUT暫時(shí)還沒有電壓，如下圖所示：

當(dāng)t2時(shí)刻到來時(shí)，開關(guān)S 1 、S4斷開，S 2 、S3閉合，此時(shí)VDD與CF兩端的電壓串聯(lián)疊加給VOUT供電，其值為2V DD ，CL兩端的電壓也會(huì)被充電至2V DD ，如下圖所示：

當(dāng)t3時(shí)刻到來時(shí)，由CL給VOUT提供2VDD的電壓，VDD繼續(xù)給CF充電以補(bǔ)充轉(zhuǎn)移到CL中的電荷，這就是2倍壓電荷泵的基本原理。

當(dāng)然，以上分析過程是在理想條件下進(jìn)行的，我們假定電容充電常數(shù)為0，放電常數(shù)為無窮大。實(shí)際上，由于電源內(nèi)阻、開關(guān)導(dǎo)通電阻、負(fù)載等因素的存在，CF與CL的充電速度總是有限的，不可能一瞬間就能將電容充滿電。

換句話說，CF儲(chǔ)存的電荷量會(huì)隨著時(shí)鐘周期的增加而越來越多，從CF轉(zhuǎn)移到CL的電荷也會(huì)逐漸增加，而且由于損耗的存在，輸出電壓也達(dá)不到理想值。

我們可以使用Multisim軟件平臺(tái)仿真一下2倍壓電荷泵電路，相應(yīng)的仿真電路如下圖所示（V DD =5V，C F =C L =4.7uF，電源內(nèi)阻為10歐姆，負(fù)載電阻為100k歐姆，頻率為20kHz）

負(fù)載RL兩端的電壓即為電荷泵仿真電路的輸出電壓，相應(yīng)的波形如下圖所示：

可以看到，電荷泵電路在實(shí)際工作時(shí)，VOUT上升期間總會(huì)定期地下降一點(diǎn)點(diǎn)，因?yàn)閂OUT通常也是需要連接負(fù)載的。在CF充電期間，CL總是會(huì)因?yàn)榉烹娦袨槎兴陆?，我們稱其為紋波（ripple）。理論上，CL的電容量越大，則VOUT的紋波也就越小，這當(dāng)然是一件美好的事情，但是CL容量越大，充放電時(shí)間常數(shù)也會(huì)變大，這會(huì)降低電路的反應(yīng)速度，因?yàn)檩敵鲂枰L的時(shí)間才能上升到所需電壓。

電荷泵電路的缺點(diǎn)是 帶負(fù)載能力并不強(qiáng) （相對于BOOST架構(gòu)），所以單純的電荷泵芯片應(yīng)用場合并不多，但是由于電荷泵方案不需要使用電感器，這在集成芯片中有非常大的優(yōu)勢。稍微了解集成電路制造工藝的粉絲都會(huì)知道， 電感器是很難集成到芯片中的 ，所以電荷泵方案作為芯片中某部分功能的場合應(yīng)用會(huì)非常多，最經(jīng)典的集成電荷泵方案的芯片就是 MAX232 ，它可以將TTL/CMOS電平（0V為邏輯“0”，5V為邏輯“1”）轉(zhuǎn)換為RS232電平標(biāo)準(zhǔn)（+3V +15V為邏輯0，-3V -15V為邏輯1），具體來說是由兩個(gè)電荷泵電路完成的，其中之一將+5V升壓到+10V，另外一個(gè)則將+10V轉(zhuǎn)換為-10V，后續(xù)有機(jī)會(huì)我們再結(jié)合數(shù)據(jù)手冊詳細(xì)討論其電路設(shè)計(jì)過程。

電荷泵升壓方案在LCD（或OLED、EPD，本文不涉及）驅(qū)動(dòng)芯片中也很常見，主要用來給偏壓電路提供高壓或驅(qū)動(dòng)電源，經(jīng)典的SED1565、ST7920、PCD8544、SSD1773、ILI9341等等LCD驅(qū)動(dòng)芯片都集成了電荷泵電路，下圖為SED1565的電荷泵方案應(yīng)用時(shí)的電路連接，可以實(shí)現(xiàn)2、3、4倍壓。