電荷泵工作原理

1、電荷泵工作原理電荷泵工作原理電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器是一種DCDC變換器，它將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負(fù)電壓，即VOUT=VIN。另外，它也可以把輸出電壓轉(zhuǎn)換成近兩倍的輸入電壓，即VOUT≈2VIN。由于它是利用電容的充電、放電實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移的原理構(gòu)成，所以這種電壓反轉(zhuǎn)器電路也稱為電荷泵變換器（gePumpConverter）。電荷泵的應(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DCDC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)

2、體工藝的進(jìn)步，新型電荷泵電路的開(kāi)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

3、的空間。雖然有一些DCDC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，DA變換器電路、AD變換器電路、VF或FV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(kāi)發(fā)出ICL7660電壓反轉(zhuǎn)器IC后，用它來(lái)獲得負(fù)電源

4、十分簡(jiǎn)單，90年代后又開(kāi)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?，F(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)。電荷泵大多應(yīng)用在需要電池的系統(tǒng)，如蜂窩式電話、尋呼機(jī)、藍(lán)牙系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備。便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展神速，對(duì)電荷泵變換器提出不同的要

5、求，各半導(dǎo)體器件公司為滿足不同的要求開(kāi)發(fā)出一系列新產(chǎn)品，本文將作一個(gè)概況介紹。電荷泵的分類電荷泵的分類電荷泵分類電荷泵可分為：?開(kāi)關(guān)式調(diào)整器升壓泵，如圖1(a)所示。?無(wú)調(diào)整電容式電荷泵，如圖1(b)所示。?可調(diào)整電容式電荷泵，如圖1(c)所示。電荷泵工作原理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(gòu)成電荷泵電壓反轉(zhuǎn)電路。振蕩器輸出的脈沖直接控制模擬開(kāi)關(guān)S1及S2；

6、此脈沖經(jīng)反相器反相后控制S3及S4。當(dāng)S1、S2閉合時(shí)，S3、S4斷開(kāi)；S3、S4閉合時(shí)，S1、S2斷開(kāi)。當(dāng)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(fù)），C1上的電壓為V；當(dāng)S3、S4閉合、S1、S2斷開(kāi)時(shí)，C1向C2放電（上正下負(fù)），C2上充的電壓為VIN，即VOUT=VIN。當(dāng)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(fù)電壓（電壓轉(zhuǎn)換率可達(dá)99%左右）。由圖3可知，

7、電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器并不穩(wěn)壓，即有負(fù)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（輸出特性）稱為輸出特性曲線，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=△VIo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

8、電荷泵。例如電池供電的應(yīng)用中，效率的提高將直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鲿r(shí)間的有效延長(zhǎng)。通常電荷泵可實(shí)現(xiàn)90%的峰值效率，更重要的是外圍只需少數(shù)幾個(gè)電容器，而不需要功率電感器、續(xù)流二極管及MOSFET。這一點(diǎn)對(duì)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。2、輸出電流的局限性電荷泵轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的輸出負(fù)載電流一般低于300mA，輸出電壓低于6V。多用于體積受限、效率要求較高，且具有低成本的場(chǎng)合。換言之，對(duì)于300mA以下的輸出電流和90%左