電荷泵的工作原理及常用電路

　　電荷泵的結(jié)構(gòu)

　　電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升，采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的，但需要外部電容器。由于工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容（1mF），使空間占用小，使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供±2 倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的ESR（等效串聯(lián)電阻）和內(nèi)部開關(guān)晶體管的RDS（ON）。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它的輸出電壓是工廠生產(chǎn)精密預(yù)置的，調(diào)整能力是通過后端片上線性調(diào)整器實(shí)現(xiàn)的，因此電荷泵在設(shè)計(jì)時可按需要增加電荷泵的開關(guān)級數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。從電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，如圖2 所示它實(shí)際上是一個片上系統(tǒng)。

　　圖2 電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　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、反相器及四個模擬開關(guān)組成，外接兩個電容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關(guān)S1及S2；此脈沖經(jīng)反相器反相后控制S3及S4。當(dāng)S1、S2 閉合時，S3、S4 斷開；S3、S4 閉合時，S1、S2 斷開。

　　當(dāng)S1、S2 閉合、S3、S4 斷開時，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斷開時，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 的閉合及斷開時，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，電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器并不穩(wěn)壓，即有負(fù)載電流時，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，輸出電壓變化為△V，則輸出電阻Ro 為：

　　Ro = △V/Io

　　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

　　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，可考慮選用電荷泵。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間的有效延長。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。