電荷泵的工作原理及常用電路

　　電荷泵的結構

　　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）和內部開(kāi)關(guān)晶體管的RDS（ON）。電荷泵轉換器不使用電感，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(chǎng)生產(chǎn)精密預置的，調整能力是通過(guò)后端片上線(xiàn)性調整器實(shí)現的，因此電荷泵在設計時(shí)可按需要增加電荷泵的開(kāi)關(guān)級數，以便為后端調整器提供足夠的活動(dòng)空間。電荷泵十分適用于便攜式應用產(chǎn)品的設計。從電容式電荷泵內部結構來(lái)看，如圖2 所示它實(shí)際上是一個(gè)片上系統。

　　圖2 電容式電荷泵內部結構

　　電荷泵工作原理

　　電荷泵變換器的基本工作原理如圖3所示。它由振蕩器、反相器及四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)組成，外接兩個(gè)電容C1、C2 構成電荷泵電壓反轉電路。

　　振蕩器輸出的脈沖直接控制模擬開(kāi)關(guān)S1及S2；此脈沖經(jīng)反相器反相后控制S3及S4。當S1、S2 閉合時(shí)，S3、S4 斷開(kāi)；S3、S4 閉合時(shí)，S1、S2 斷開(kāi)。

　　當S1、S2 閉合、S3、S4 斷開(kāi)時(shí)，輸入的正電壓V+向C1 充電（上正下負），C1 上的電壓為V+；當S3、S4閉合、S1、S2斷開(kāi)時(shí)，C1向C2放電（上正下負），C2上充的電壓為-VIN，即VOUT=-VIN。當振蕩器以較高的頻率不斷控制S1、S2 及S3、S4 的閉合及斷開(kāi)時(shí)，輸出端可輸出變換后的負電壓（電壓轉換率可達99%左右）。

　　由圖3 可知，電荷泵電壓反轉器并不穩壓，即有負載電流時(shí)，輸出電壓將有變化。輸出電流與輸出電壓的變化曲線(xiàn)（輸出特性）稱(chēng)為輸出特性曲線(xiàn)，其特點(diǎn)是輸出電流越大，輸出電壓變化越大。

　　一般以輸出電阻Ro來(lái)表示輸出電流與輸出電壓的關(guān)系。若輸出電流從零增加到Io時(shí)，輸出電壓變化為△V，則輸出電阻Ro 為：

　　Ro = △V/Io

　　輸出電阻Ro 越小，輸出電壓變化越小，輸出特性越好。

　　如何選擇電荷泵

　　1、效率優(yōu)先，兼顧尺寸

　　如果需要兼顧效率和占用的 PCB 面積大小時(shí)，可考慮選用電荷泵。例如電池供電的應用中，效率的提高將直接轉變?yōu)楣ぷ鲿r(shí)間的有效延長(cháng)。通常電荷泵可實(shí)現 90% 的峰值效率，更重要的是外圍只需少數幾個(gè)電容器，而不需要功率電感器、續流二極管及 MOSFET。這一點(diǎn)對于降低自身功耗，減少尺寸、BOM 材料清單和成本等至關(guān)重要。