电荷泵技术(电荷泵的作用)

导语：电荷泵（charge pump）详解，建议收藏

电荷泵(chargepump)又称为开关电容DC-DC变换器(switchedcaPACi-torvoltageconverter)，在和基于电感的DC-DC开关电源相比较的时候，又称之为无感式DC-DC电源变换器。电荷泵采用电容为开关和储能元件，与采用电感作为储能元件的电感式开关DC-DC转换器相比，电荷泵的主要优点如下：

高效率,体积小,低静态电流,最低工作电压更低,低噪声,低电磁干扰,因为没有磁场的高速变换，即电一磁、磁一电的高速变换，而只有对电容的高速充、放电过程，电磁干扰问题几乎可以忽略；

从目前实用的硅集成技术来看，电容的集成比电感的集成更为容易和廉价，电荷泵也就更容易实现高度集成：输出电压的调节范围更大；对整体应用电路而言，成本低。

目前实用的电荷泵的主要不是则是很难实现大功率、高电压应用，在这些方面，目前电感式开关DC-DC转换器还有着无可比拟的优势。具体而言，电荷泵目前主要的用途如下：

小功率倍压、电压反转应用，典型的应用如单电源的5V、3V系统为RS232等串行系统提供±12的信号电平。

电压反转应用，典型应用如现在开始流行的无电容实地输出的耳机放大器IC，这些耳放IC单电源供电，内部集成了电荷泵，因此可以实现即不需要输出电容，耳机的公共端也可以直接接地，典型产品如MAX4411以及OPA4411。

倍压应用，目前主流应用是驱动LED尤其白光LED，在电池供电的手机、数码相机等领域，为LED背光照明和LED闪光灯提供合适的电源。另一个很广泛的应用是为EEPROM和flash存储器提供读写电源，这些存储器IC的电源轨一般是1.8V、3.3V，而读取需要+5V，擦写需要12V，将电荷泵集成到这些存储器IC中，就可以实现单一电源供电。

一、电荷泵的基本原理

电荷泵的基本原理是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。我们形象地把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒进一个大水箱[8]。电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容，而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器（直流变换器）。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(1/2,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。

电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容C1充电到输入电压：

在第二阶段，开关S3和S4关闭，而S1和S2打开。因为电容C1两端的电压降不能立即改变，输出电压跳变为输入电压的两倍。

电荷泵解决方案在应用中也有缺点，其主要缺点是：

只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵的转换比率最多只能达到输入电压的2倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的2倍。

二、电荷泵电路分析

图中自举升压电路解析（电荷泵工作原理）：

1、上电时：电源+11V流过D1、D2向C3充电，C3上的电压很快升至接近11V；

2、如果Q6导通，C1负极被拉低，C1形成充电回路，会很快C1充电至11V;

3、当PWM波形翻转，Q6截止，Q3导通，C1负极电位被抬高到接近电源电压11V，水涨船高，此时C1正极电位已超过电源电压，并高于C3端电压。因为D1的存在，该电压不会向电源倒流；

4、此时开始先C3充电，C3上的端电压被充至接近2倍电源电压22V；

5、只要Q3、Q6一直轮流导通和截止，C1就会不断向C3充电，使C3端电压一直保持22V的电压。

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