电荷泵设计指南

设计指南Q&A系列: 电荷泵

上网时间：2006年05月26日

Sam Davis 著

电荷泵主要有哪些应用？

在过去的十年了，电荷泵得到了广泛运用，从未调整单输出IC到带多输出电压的调整IC。输出功率和效率也得到了发展，因此现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流，效率达到75%(平均值)。电荷泵大多应用在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。

主要应用包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器(如图)。

电荷泵如何工作？

电荷泵(开关电容)IC通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容供电或断电来进行DC/DC电压转换。基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电和断电这两个状态之间切换。C1(充电电容)传输电荷，而C2(充电电容器)则储存电荷并过滤输出电压。

额外的“快速电容”和开关阵列带来多种好处。

电荷泵有哪些工作模式？

电荷泵IC可以用作逆变器、分路器或者增压器。逆变器将输入电压转变成一个负输出。作为分路器使用时，输出电压是输出电压的一部分，例如1/2或2/3。作为增压器时，它可以给I/O带来一个1.5X或者2X的增益。很多便携式系统都是用一个单锂离子电池或者两个金属氢化物镍电池。因此当在2X模式下运行时，电荷泵可以给一般在3.3V到4.0V的范围内工作的白光LED供应适当的正向电压。

电荷泵的输出电压经过调节吗？

基本电荷泵缺少调整电路，因此实际上所有当今使用的电荷泵IC都增加线性调整或者电荷泵调制。线性调整的输出噪音最低，并可以在更低的效率情况下提供更好的性能。而由于调整IC没有串联传输晶体管，控制开关电阻的电荷泵调制就可以提供更高的效率，并为一个给定的芯片面积(或消耗)提供更多的输出电流。

电荷泵的主要优势是什么？

电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。但是，仍然有一个可能的微小噪音源，那就是当快速电容和一个输入源或者另外一个带不同电压的电容器相连时，流向它的高充电电流。同样的，“分路器”电荷泵也能在LDO上改进

效率，但又不会像感应降压调整器那样复杂。

电荷泵的输出电压和它的输入电压适配吗？

电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵则在1X模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

增加电容的开关频率会发生什么变化？

增加开关频率也就增加了IC的静态电流，但是也同时降低了C1和C2的电容值。常态频率结构提供低噪音调整输出电压，同时其输入噪音也比传统的电荷泵调节器要低。高频率操作简化了过滤，从而进一步降低了传导噪音。

哪些电容器最适用于电荷泵？

要实现最优的性能，就要采用带低等效并联电阻(ESR)的电容器。低ESR电容器须用在IC的输出上，来将输出波纹和输出电阻最小化，并达到最高的效率。陶瓷电容器就可以做到这一点，但是某些钽电容器可能要比较合适一点。

电荷泵软启动将带来什么效应？

软启动可以在启动时阻止在VIN出产生过多的电流流量，从而增加了可定期用于输出电荷储存电容器的电流量。软启动一般在设备被关机时激活，并在设备获得调整之后立刻屏蔽。

电荷泵IC如何将功率消耗最小化？

通过运用脉冲频率调制，IC只有在当电荷必须传输出去来保持输出调节的时候才产生电荷。当输出电压高于目标调节电压时，IC是闲置的，此时消耗的电流最小，因为储存在输出电容器上的电荷会提供负载电流。而随着这个电容器不断放电以及输出电压逐渐降到目标调节电压一下，电荷泵才会激活并向输出传输电荷。这个电荷供给负载电流，并增加输出电容器上的电压。

作者：Sam Davis，特约编辑

线性稳压电源、开关稳压电源和电荷泵电源的区别

根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。它们各自都有一定的特点及适用范围。

线性稳压电源

线性稳压电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。

该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高、外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。缺点是一般认为线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差（一般称为压差）大，调整管上的损耗大，效率低。

但近年来开发出各种低压差（LDO）的新型线性稳压器IC，一般可达到达输出100mA电流时，其压差在100mV左右的水平（甚至于到70-80mv的水平），某些小电流的低压差线性稳压器其压差仅几十毫伏。这样，调整管的损耗较小，效率也有较大的提高，因此可延长电池的

寿命。

开关稳压电源

与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。DC/DC是开关稳压电源中的一种。

开关电源的优点是效率高（可以达到80~95%）、稳定可靠；缺点相对于线性电源来说成本较高、纹波较大（一般≤1%VO(P-P)，好的可做到十几mV(P-P)或更小)。

电荷泵

电荷泵有三类：开关式调整器升压泵、无调整电容式电荷泵和可调整电容式电荷泵。三类电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电荷泵采用电容器。

电荷泵器件占用的空间要小得多，似乎是大型厂商的首选。它们受到青睐，除了可以用于不同的应用以外，还有一个间接的原因就是人们认为基于电感的功率源可能带来不可克服的EMI问题。

在便携式产品中，常常利用低压差线性稳压源（LDO）将5V主电源转换DC-DC电荷泵的研究与设计

作者:曹香凝，汪东旭，严利民日期:2004-10-27

文章编号：1009-3664（2004）05-0014-03

DC-DC电荷泵的研究与设计

曹香凝，汪东旭，严利民

（上海大学微电子中心微电子与固体电子学，上海2000720）

摘要：以Dickson电荷泵的基本原理出发点，研究了一种将正电压输入转为负电压输出的开关电容电路。由于开关电容的充放电特点，为确定电容时间常数，采用非交叠（nonoverlapping）时钟控制信号避免了由于时钟交叠而造成的当电容充电还未完成即对下一级电容进行放电的现象。同时，参考功率MOSFET的电容模型通过增大驱动电路的电流减小了开关管的上升延时，提高了开关动作的速