電荷泵的基本原理

電容是存儲電荷或電能，并按預先確定的速度和時(shí)間放電的器件。如果一個(gè)理想的電容以理想的電壓源%進(jìn)行充電，如圖1(a)所示，則電容將依據Dirac電流脈沖函數立即存儲電荷，如圖1(b)所示。存儲的`總電荷數量按下式計算。

實(shí)際的電容具有等效串聯(lián)阻抗(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)，兩者都不會(huì )影響到電容存儲電能的能力。然而，它們對開(kāi)關(guān)電容電壓變換器的整體轉換效率有很大的影響。實(shí)際電容充電的等效電路如圖1(c)所示，其中Rs.是開(kāi)關(guān)的電阻。ESL為實(shí)際的電容等效串聯(lián)電感，則在電容的充電電流路徑上具有串聯(lián)電感，通過(guò)適當的器件布局設計可以減小這個(gè)串聯(lián)電感。

圖1 電荷泵工作的基本原理圖

如圖2(a)所示的電路一旦被加電，由于電容的寄生效應限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉移時(shí)間，因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著(zhù)電容兩端的初始電壓變化為零。電荷泵就是利用了這種電容特性來(lái)工作的。

圖2 電荷泵電路及其工作波形

電壓變換在兩個(gè)階段內得以實(shí)現。在第一個(gè)階段期間，開(kāi)關(guān)S1和S2關(guān)閉，而開(kāi)關(guān)S3和S4打開(kāi)，電容充電到其值等于輸入電壓。

在第二個(gè)階段，開(kāi)關(guān)S3和s4關(guān)閉，而S1和S2打開(kāi)。因為電容兩端的電壓降不能立即改變，輸出電壓則跳變到輸入電壓值的兩倍，即

使用這種方法可以實(shí)現電壓的倍壓，通常開(kāi)關(guān)信號的占空比為50%時(shí)，能產(chǎn)生最佳的電荷轉移效率。

圖2(b)中顯示了圖(a)電路實(shí)現電壓倍壓的穩態(tài)電流和電壓波形。如圖(a)所示電路在第一階段時(shí)，充電電流會(huì )流入到C1中。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR及開(kāi)關(guān)的電阻。在C，充電后，充電電流呈指數級地降低。充電時(shí)間常數是開(kāi)關(guān)周期的幾倍，更小的充電時(shí)間常數將導致峰值電流的增加。在這個(gè)時(shí)間內，輸出電容CHOLD線(xiàn)性放電以提供負載電流。

在第二階段，C1+連接到輸出端，放電電流(電流大小與前面的充電電流相同)通過(guò)C1流到負載。在這個(gè)階段，輸出電容電流的變化大約為2IOUT。盡管這個(gè)電流變化應該能產(chǎn)生的輸出電壓變化為2IOUT×ESRCHOLD，但使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計。此時(shí)，CHOLD線(xiàn)性地充電。當C1連接到輸入和地之間時(shí)，CHOLD線(xiàn)性地放電?？偟妮敵黾y波峰-峰電壓值為