電荷泵(charge pump)是一種直流-直流轉(zhuǎn)換器，利用電容器為儲(chǔ)能元件，多半用來(lái)產(chǎn)生比輸入電壓大的輸出電壓，或是產(chǎn)生負(fù)的輸出電壓。電荷泵電路的電效率很高，約為90-95%，而電路也相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單。電荷泵利用一些開關(guān)元件來(lái)控制連接到電容器的電壓。例如，可以配合二階段的循環(huán)，用較低的輸入電壓產(chǎn)生較高的脈沖電壓輸出。在循環(huán)的第一階段，電容器連接到電源端，因此充電到和電源相同的電壓，在第一階段會(huì)調(diào)整電路組態(tài)，使電容和電源電壓串聯(lián)。若不考慮漏電流的效應(yīng)，也假設(shè)沒(méi)有負(fù)載，其輸出電壓會(huì)是輸入電壓的兩倍(原始的電源電壓加上電容器兩端的電壓)。較高輸出電壓的脈沖特性可以用輸出的濾波電容器來(lái)濾波。

?電荷泵電路是一種利用開關(guān)電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的電路，主要通過(guò)交替充電和放電電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的倍增或變換。? 具體來(lái)說(shuō)，電荷泵電路通過(guò)精心定時(shí)的開關(guān)操作來(lái)控制電容器的充放電過(guò)程，從而將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。這種電路通常由電容器和開關(guān)(如場(chǎng)效應(yīng)晶體管)組成，利用電容器的電荷轉(zhuǎn)移特性來(lái)工作。?1工作原理

電荷泵電路的工作原理基于電容器的電壓不能瞬時(shí)改變的特性。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電容器通過(guò)外部電源充電;當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電容器通過(guò)內(nèi)部電路放電，將存儲(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移到負(fù)載上。通過(guò)不斷循環(huán)這個(gè)過(guò)程，電荷泵可以實(shí)現(xiàn)電壓的倍增或變換。

電荷泵如何工作?

理解這一點(diǎn)的最好方法是想象以下情況。

您使用 9V 電池為電容器充電，因此電容器兩端的電壓也是 9V。然后你拿另一個(gè)電容器也充電到 9V?，F(xiàn)在將兩個(gè)電容器串聯(lián)起來(lái)，測(cè)量它們兩端的電壓——18V。

這是電荷泵的基本工作原理——取兩個(gè)電容器，分別為它們充電，然后將它們串聯(lián)起來(lái)，盡管在真正的電荷泵中，重新排列是通過(guò)電子方式完成的。

當(dāng)然，這不僅限于兩個(gè)電容器，可以級(jí)聯(lián)連續(xù)的級(jí)以獲得更高的輸出電壓。

電荷泵的局限性

在我們構(gòu)建一個(gè)之前，了解電荷泵的局限性是個(gè)好主意。

1. 可用輸出電流——由于電荷泵只不過(guò)是循環(huán)充電和放電的電容器，因此可用電流非常低——在極少數(shù)情況下，使用正確的芯片可以獲得 100mA，但效率很低。

2.你添加的級(jí)數(shù)越多，并不意味著電壓輸出增加那么多倍——每一級(jí)負(fù)載前一級(jí)的輸出，所以輸出不是輸入的完美倍數(shù)。添加的階段越多，這個(gè)問(wèn)題就越嚴(yán)重。

構(gòu)建電荷泵電路

這里顯示的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的三級(jí)電荷泵，它使用了常青555 定時(shí)器 IC。從某種意義上說(shuō)，這個(gè)電路是“模塊化的”——級(jí)可以級(jí)聯(lián)以增加輸出電壓(考慮到第二個(gè)限制)。

所需組件

1. 對(duì)于 555 振蕩器

555 定時(shí)器 - 雙極型

10uF電解電容(去耦)

2x 100nF 陶瓷電容(去耦)

100pF陶瓷電容(定時(shí))

1K電阻(定時(shí))

10K電阻(定時(shí))

2. 對(duì)于電荷泵

6x IN4148 二極管(也推薦使用 UF4007)

5x 10uF 電解電容

100uF電解電容

需要注意的重要一點(diǎn)是，電荷泵中使用的所有電容器的額定電壓必須比預(yù)期的輸出電壓高幾伏。

電路原理圖

這是它在面包板上的樣子：

電荷泵電路說(shuō)明

1. 555定時(shí)器

這里顯示的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的555 定時(shí)器非穩(wěn)態(tài)振蕩器。時(shí)序組件產(chǎn)生大約 500kHz 的頻率(對(duì)于雙極 555 而言，這本身就是一項(xiàng)壯舉)。這種高頻率可確保電荷泵上的電容器定期“刷新”，從而使輸出電壓不會(huì)產(chǎn)生太大的紋波。

應(yīng)用場(chǎng)景

電荷泵電路在許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，包括：

?集成電路?：為芯片內(nèi)部提供所需的高壓電源。

?模擬電路?：用于放大器、濾波器等模塊的高壓供電。

?無(wú)線通信?：在射頻模塊、天線驅(qū)動(dòng)器等系統(tǒng)中提供高功率、高壓電源。

?傳感器和執(zhí)行器?：提供所需的高電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

?醫(yī)療設(shè)備?：如心臟起搏器、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)等，用于提供穩(wěn)定的高壓電源。

?航空航天?：在衛(wèi)星、飛機(jī)等設(shè)備中提供穩(wěn)定的高電壓輸出。

?汽車電子?：滿足車載傳感器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備對(duì)高電壓信號(hào)的需求。

?能源管理?：在太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等系統(tǒng)中應(yīng)用。

優(yōu)缺點(diǎn)

電荷泵電路的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

?尺寸小?：不需要使用電感器，因此比開關(guān)模式穩(wěn)壓器小得多。

?高效率?：相對(duì)于線性穩(wěn)壓器，電荷泵具有更高的轉(zhuǎn)換效率和較低的靜態(tài)功耗。

?可編程控制?：通過(guò)控制開關(guān)管的工作方式和頻率，可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓和功率。

缺點(diǎn)包括：

?效率較低?：通常低于開關(guān)穩(wěn)壓器，且輸出紋波和噪聲較高。

?適用范圍有限?：適合低負(fù)載電流和中等輸入輸出電壓差的應(yīng)用。

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。現(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)。

電荷泵負(fù)壓電路的工作原理

電荷泵負(fù)壓電路是一種利用電容儲(chǔ)能的DC/DC變換器，也被稱為開關(guān)電容式電壓變換器。它通過(guò)電容的充電與轉(zhuǎn)移，可以使輸入電壓升高或降低，甚至產(chǎn)生負(fù)壓。

在電荷泵負(fù)壓電路中，PWM(脈沖寬度調(diào)制)波形的高電平對(duì)應(yīng)Q2導(dǎo)通，而PWM的低電平對(duì)應(yīng)Q1導(dǎo)通。VG1是一個(gè)階躍信號(hào)，通常設(shè)置為方波，具有一定的振幅和頻率。當(dāng)VG1的PWM信號(hào)處于高電平時(shí)，電流的方向是VG1→C1→D1→GND，此時(shí)電容C1進(jìn)行充電，其兩端形成左正右負(fù)的電勢(shì)差，即VH。而當(dāng)VG1的PWM信號(hào)處于低電平時(shí)，電流的方向變?yōu)镃2→D2→C1→VG1，此時(shí)C1進(jìn)行放電，同時(shí)對(duì)C2進(jìn)行充電。由于電容兩端電壓不能突變的特性，當(dāng)C1左端變?yōu)?時(shí)，VF1端會(huì)變?yōu)?VH，忽略D2的壓降，VF2自然得到一個(gè)負(fù)壓輸出-VH，這個(gè)負(fù)壓值受VG1頻率和振幅的影響。

電荷泵負(fù)壓電路的應(yīng)用場(chǎng)景

電荷泵負(fù)壓電路在電子設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用，例如：

LCD屏幕背光驅(qū)動(dòng)：LCD屏幕背光需要高壓驅(qū)動(dòng)，電荷泵負(fù)壓電路可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動(dòng)LCD屏幕背光。

電子氣體放電燈驅(qū)動(dòng)：電子氣體放電燈需要高壓驅(qū)動(dòng)，電荷泵負(fù)壓電路可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動(dòng)電子氣體放電燈。

電子鐘表驅(qū)動(dòng)：電子鐘表需要低電壓驅(qū)動(dòng)，電荷泵負(fù)壓電路可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動(dòng)電子鐘表。

電子游戲機(jī)驅(qū)動(dòng)：電子游戲機(jī)需要高壓驅(qū)動(dòng)，電荷泵負(fù)壓電路可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動(dòng)電子游戲機(jī)。

總之，電荷泵負(fù)壓電路在電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動(dòng)各種電子設(shè)備。

【結(jié)語(yǔ)】

電荷泵負(fù)壓電路是一種利用電容儲(chǔ)能的DC/DC變換器，可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓升高或降低，甚至產(chǎn)生負(fù)壓。本文詳細(xì)介紹了電荷泵負(fù)壓電路的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景。在電子設(shè)備中，電荷泵負(fù)壓電路有著廣泛的應(yīng)用，可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，驅(qū)動(dòng)各種電子設(shè)備。