電容是存儲(chǔ)電荷或電能，并按預(yù)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(jù)Dirac電流脈沖函數(shù)立即存儲(chǔ)電荷，如圖1(b)所示。存儲(chǔ)的`總電荷數(shù)量按下式計(jì)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(chǔ)電能的能力。然而，它們對(duì)開(kāi)關(guān)電容電壓變換器的整體轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)钠骷季衷O(shè)計(jì)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(yīng)限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間，因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著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(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。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?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡荒芰⒓锤淖儯?strong>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(xiàn)電壓的倍壓，通常開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比為50%時(shí)，能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。

圖2(b)中顯示了圖(a)電路實(shí)現(xiàn)電壓倍壓的穩(wěn)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(shù)級(jí)地降低。充電時(shí)間常數(shù)是開(kāi)關(guān)周期的幾倍，更小的充電時(shí)間常數(shù)將導(dǎo)致峰值電流的增加。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，輸出電容CHOLD線性放電以提供負(fù)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(fù)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(yīng)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(jì)。此時(shí)，CHOLD線性地充電。當(dāng)C1連接到輸入和地之間時(shí)，CHOLD線性地放電?？偟妮敵黾y波峰-峰電壓值為

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在更高的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)可以采用更小的輸出電容來(lái)獲得相同的紋波，電荷泵的寄生效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓隨著負(fù)載電流的增加而下降。事實(shí)上，總是存在2IOUT的電流流過(guò)C1和兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻(RSW)，導(dǎo)致產(chǎn)生的功耗為

除了這些純粹的電阻損耗，電流IOUT流過(guò)開(kāi)關(guān)電容C1的等效電阻時(shí)產(chǎn)生的功耗為

流過(guò)CHOLD的電流等于IOUT，其產(chǎn)生的功耗為

所有這些損耗可以用下面的等效輸出電阻進(jìn)行匯總。

這樣一來(lái)，電荷泵的輸出電壓為

電荷泵的開(kāi)關(guān)工作示意圖如圖3所示。同樣的，電壓轉(zhuǎn)換在兩個(gè)階段內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。在第一個(gè)階段，開(kāi)關(guān)S1～S3關(guān)閉，而開(kāi)關(guān)S4～S8打開(kāi)。因此，C1和C2并聯(lián)，假設(shè)C1=C2則充電到一半的輸入電壓為

圖3 電荷泵的開(kāi)關(guān)工作示意圖

輸出電容CHOLD提供負(fù)載電流，隨著輸出電容的放電，輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，并連接在UIN和UOUT之間。開(kāi)關(guān)S4～S7關(guān)閉，而S1～S3和S8打開(kāi)。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡⒉荒芡蛔?，故輸出電壓跳變到輸入電壓值?.5倍;若關(guān)閉S8并保持S1～S7打開(kāi)，則電路工作在1倍壓線性模式下。

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(1)2倍壓結(jié)構(gòu)

2倍壓結(jié)構(gòu)，顧名思義也就是在輸出端的UOUT電壓為兩倍的輸入端電壓UIN，其所需要的器件為開(kāi)關(guān)S1～S4與電容CIN、COUT、CPUMP，如圖4所示。而該電路的動(dòng)作過(guò)程可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段(Transfer Phase)。

圖4電荷泵的2倍壓結(jié)構(gòu)

充電階段：S1和S4閉合，S2和S3打開(kāi)，此時(shí)輸入電壓(UIN)對(duì)CPUMP充電，CPUMP兩端的電壓為UIN。

轉(zhuǎn)移階段：S1和S4打開(kāi)，S2和S3閉合，此時(shí)輸入電壓(UIN)與CPUMP串聯(lián)對(duì)COUT充電，如此在COUT端的輸出電壓即為兩倍的輸入電壓。

(2)1.5倍壓結(jié)構(gòu)

1.5倍壓結(jié)構(gòu)也就是在輸出端產(chǎn)生1.5倍的UIN電壓，其所需要的器件為開(kāi)關(guān)S1～S2與電容CIN，COT，CPUMP1，CPUMP2，如圖5所示，而電路動(dòng)作過(guò)程同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。

圖5 電荷泵的1.5倍壓結(jié)構(gòu)

充電階段：S1、S4和S7閉合，S2、S3、S5和S6打開(kāi)，此時(shí)輸入電壓(UIN)對(duì)CPUMP1和CPUMP2充電，如此在電容兩端的電壓均分別為I/2UIN。

轉(zhuǎn)移階段：S1、S4和S7打開(kāi)，S2、S3、S5和S6閉合，此時(shí)CPUMP1與CPUMP2，為并聯(lián)再與輸入電壓(UIN)串聯(lián)，然后對(duì)C。UT充電，如此在C。I T端的輸出電壓即為1.5倍壓的輸入電壓。

使用7個(gè)切換開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓為輸入電壓的1.5倍壓。實(shí)現(xiàn)輸出電壓為1.5倍輸入電壓的電荷泵電路，當(dāng)其開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比通常為50%時(shí)，可產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。

(3)負(fù)壓結(jié)構(gòu)

負(fù)壓結(jié)構(gòu)也就是在輸出端的電壓COUT為負(fù)的UIN，其所需器件為開(kāi)關(guān)S1～S4與電容CIN、COUT、CPUMP1，而電路動(dòng)作過(guò)程同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。

充電階段：S1和S2閉合，S3和S4打開(kāi)，此時(shí)輸入電壓(UIN)對(duì)CPUMP充電，如此在電容CPUMP兩端的電壓為(UIN)。

轉(zhuǎn)移階段：S1和S2打開(kāi)，S3和S4閉合，此時(shí)CPUMP對(duì)COUT充電，在COUT端的輸出電壓即為負(fù)的輸入電壓，而輸入端對(duì)輸出端而言即可獲得兩倍的電壓差。使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓為負(fù)的輸入電壓，開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比通常為50%。