电荷泵工作原理

电荷泵工作原理

电荷泵电压反转器是一种DC/DC变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即VOUT= -VIN。另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即VOUT≈2VIN。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（Charge Pump Converter）。

电荷泵的应用

电荷泵转换器常用于倍压或反压型DC-DC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。

电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。

虽然有一些DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广泛的应用。

目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电

路需要正负电源才能工作。例如，D/A 变换器电路、A/D 变换器电路、V/F或F/V 变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自INTERSIL公司开发出ICL7660电压反转器IC后，用它来获得负电源十分简单，90 年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用。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。便携式电子产品发展神速，对电荷泵变换器提出不同的要求，各半导体器件公司为满足不同的要求开发出一系列新产品，本文将作一个概况介绍。

电荷泵的分类

电荷泵分类

电荷泵可分为：

开关式调整器升压泵，如图1(a)所示。

无调整电容式电荷泵，如图1(b)所示。

可调整电容式电荷泵，如图1(c)所示。

图1 电荷泵的种类

电荷泵工作过程

3种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，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。

电荷泵的结构

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。由于工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1mF)，使空间占用小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2 倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI 可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它的输出电压是工厂生产精密预置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此

电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,如图2 所示它实际上是一个片上系统。

图2 电容式电荷泵内部结构

电荷泵工作原理

电荷泵变换器的基本工作原理如图3所示。它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，外接两个电容C1、C2 构成电荷泵电压反转电路。

图3 电荷泵变换器的基本工作原理

振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1及S2；此脉冲经反相器反相后控制S3及S4。当S1、S2 闭合时，S3、S4 断开；S3、S4 闭合时，S1、S2 断开。

当S1、S2 闭合、S3、S4 断开时，输入的正电压V+向C1 充电（上正下负），C1 上的电压为V+；当S3、S4闭合、S1、S2断开时，C1向C2放电（上正下负），C2上充的电压为-VIN，即VOUT=-VIN。当振荡器以较高的频率不断控制S1、S2 及S3、S4 的闭合及断开时，输出端可输出变换后的负电压（电压转换率可达99%左右）。

由图 3 可知，电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将有变化。输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）称为输出特性曲线，其特点是输出电流越大，输出电压变化越大。

一般以输出电阻Ro来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到Io时，输出电压变化为△V，则输出电阻Ro 为： Ro = △V/Io

输出电阻Ro 越小，输出电压变化越小，输出特性越好。

如何选择电荷泵

1、效率优先，兼顾尺寸

如果需要兼顾效率和占用的PCB 面积大小时，可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中，效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实现90% 的峰值效率，更重要的是外围只需少数几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及MOSFET。这一点对于降低自身功耗，减少尺寸、BOM 材料清单和成本等至关重要。

2、输出电流的局限性

电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于300mA，输出

电压低于6V。多用于体积受限、效率要求较高，且具有低成本的场合。换言之，对于300mA 以下的输出电流和90% 左右的转换效率，无电感型电荷泵DC/DC 转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而，如果要求输出负载电流、输出电压较大，那么应使用电感开关转换器，同步整流等DC/DC 转换拓扑。

3、较低的输出纹波和噪声

大多数的电荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路，工作在相位差为180 度的情形，这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波，从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且，与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比，电荷泵产生的噪声更低些。对于RF 或其它低噪声应用，这一点使其无疑更具竞争优势。

电荷泵选用要点

作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素：

1)转换效率要高

2)无调整电容式电荷泵90%

3)可调整电容式电荷泵85%

4)开关式调整器83%

5)静态电流要小，可以更省电；

6)输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；

7)噪音要小，对手机的整体电路无干扰；

8)功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计更小巧；