电荷泵的工作原理及常用电路

?来源：互联网作者：秩名作者：?2012年10月23日 16:15?3225次阅读

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电荷泵电压反转器DC/DC变换器将输入的正电压转换为相应的负电压，即VOUT= -VIN。此外，它还可以将输出电压转换为输入电压的近两倍，即VOUT≈2VIN。这种电压反转器电路也被称为电荷泵变换器，因为它是由电容器的充放电原理组成的（Charge Pump Converter）。

应用电荷泵

电荷泵转换器常用于倍压或反压型DC-DC 转换。电荷泵电路以电容为储能和传能中介。随着半导体工艺的进步，新电荷泵电路的开关频率可达1MHz。电荷泵有两种基本电路形式：倍压型和反压型。

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。在电子产品中，通常需要正负电源或几种不同的电压。对于电池供电的便携式产品，电池数量的增加必然会影响产品的体积和重量。电压反转电路可以在便携式产品中节省一组电池。工作频率为2~3MHz，因此，多层陶瓷电容使用多层陶瓷电容(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，许多集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有许多电路需要正负电源。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、操作放大器电路、电压比较器电路等。自INTERSIL公司开发出ICL7660电压反转器IC之后用它获得负电源很简单，90 20世纪90年代后，开发了稳压电压反转电路，提高了负电源性能。对于电池供电的便携式电子产品，负电源或双压电源不仅减少了电池的数量、产品的体积和重量，而且在降低能耗（延长电池寿命）方面发挥了重要作用。目前的电荷泵可输出高达250mA电流，效率75%(平均值)。

电荷泵主要用于需要电池的系统，如蜂窝电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。随着便携式电子产品的快速发展，对电荷泵变换器提出了不同的要求。为了满足不同的要求，半导体设备公司将开发一系列新产品。

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。

如图1所示（b）所示。

可调电容式电荷泵，如图1所示（c）所示。

图1 电荷泵的类型

电荷泵工作过程

3 电荷泵的工作过程是：首先储存能量，然后通过控制释放能量以获得所需的输出电压。开关调节器升压泵用电感器储存能量，电容式电荷泵用电容器储存能量。

电荷泵结构

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路和比较控制器提高电压，用电容器储存能量。电荷泵不需要电感，但需要外部电容器。由于工作频率高，可以使用小型陶瓷电容器(1)mF），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 输出电压倍。其损失主要来自电容器ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管RDS（ON）。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。一个小电容器可以过滤输入端噪声。其输出电压是工厂生产的精密预置，调整能力是通过后端板的在线调整器实现的。因此，电荷泵可以根据需要增加电荷泵的开关级数，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。从电容式电荷泵的内部结构来看，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

电荷泵的工作原理

电荷泵变换器的基本工作原理如图3所示。它由振荡器、反相器和四个模拟开关组成C1、C2 构成电荷泵电压反转电路。

模拟开关直接控制振荡器输出的脉冲S1及S2.脉冲由反相器反相控制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C放电(上正下负)，C2上充电压为-VIN，即VOUT=-VIN。当振荡器以更高的频率持续控制时S1、S2 及S3、S4 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 可以看出，电荷泵电压反转器不稳定，即当有负载电流时，输出电压会发生变化。输出电流和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。

输出电阻电阻Ro表示输出电流与输出电压的关系。如果输出电流从零增加到Io输出电压变化为△V，则输出电阻Ro 为：

Ro = △V/Io

输出电阻Ro 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，考虑尺寸

如果需要兼顾效率和占用， PCB 面积大小时，可考虑选择电荷泵。例如，在电池供电的应用中，效率的提高将直接转化为工作时间的有效延长。通常可以实现电荷泵 90% 更重要的是，外围只需要几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管和 MOSFET。这是为了减少自身的功耗，减少尺寸，BOM 材料清单和成本非常重要。

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。多用于体积有限、效率要求高、成本低的场合。换句话说，对 300mA 以下输出电流及 90% 左右转换效率，无电感电荷泵 DC/DC 转换器可视为一种成本经济、空间利用率高的方式。但是，如果需要较大的输出负载电流和输出电压，则应使用电感开关转换器、同步整流等 DC/DC 转换拓扑。

3.输出纹波和噪声较低

大多数电荷泵转换器使用一对集成电荷泵环，在相位差中工作 180 在程度上，这样做的好处是最大限度地降低输出电压纹波，从而有效地避免了输出端滤波处理增加造成的成本增加。而且，与输出电流相同的等效电感开关转换器相比，电荷泵产生的噪声更低。对于 RF 或者其低噪声应用，这无疑使其更具竞争优势。

电荷泵选择要点

在选择电荷泵时，作为设计工程师必须考虑以下几个要素：

转换效率高

无调电容式电荷泵 90%

电容式电荷泵可调节 85%

开关调整器 83%

静态电流小，可以省电；

输入电压低，尽可能利用电池的潜力；

噪音小，不干扰手机整体电路；

功能集成度高，提高单位面积使用效率，使手机设计更小；

输出调节能力充足，电荷泵不会因工作满负荷而发热；

小封装尺寸是手持产品的一般要求；

安装成本低，包括周围电路PCB 板面积小，布线少而简单；

有了关闭控制端，电荷泵可以在长时间待机时关闭，使供电电流消耗近0。

新型电荷泵变换器的特点

80 年代末90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以ICL以7660为基础开发了一些改进产品，如MAXIM 公司的MAX1044、Telcom 公司的TC1044S、TC7660 和LTC 公司的LTC1044/7660等。这些改进型设备的功能和功能ICL7660相同，性能提高，管脚排列与ICL7660完全一样，可以互换。

这一类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频率低，使外接电容容量大；静态电流大。

90 20世纪90年代以后，随着半导体技术的进步和便携式电子产品的快速发展，各半导体设备公司开发了各种新型电荷泵变换器，大大提高了设备包装、功能和性能，并开发了一些特殊的电荷泵变换器。它们的特点可以概括为：

1. 提高输出电流，降低输出电阻

早期产品ICL7660在输出40mA时，使-5V 输出电压降至-3V（相差2V），而新型MAX660输出电流可达100mA，其输出电阻Ro仅为6.5Ω，MAX660在输出40mA时，-5V输出电压为-4.74V（相差仅0.26V），即输出特性大大提高。MAX682 输出电流可达250mA，即使在250年，也会在设备内部增加稳压电路mA 输出时，输出电压变化很小。这种稳压产品也有AD 公司的ADM8660、LT 公司的LT1054 等。

2. 减小功耗

为了延长电池寿命或两次充电之间的间隔，应尽量减少设备的静态电流。近年来，开发了一些微功耗新产品。ICL7660 静态电流典型值为170μA，新产品TCM828的静态电流典型值为50μA，MAX1673 静态电流的典型值仅为35μA。此外，为了进一步降低电路功耗，开发了关闭负电源的功能，将设备功耗降低到1μA 此外，负电源关闭后，部分电路不工作，进一步降低功耗。例如，MAX662A、AIC1841 两个装置都有关闭功能，关闭时耗电《 1μA，几乎可以忽略不计。还有这类设备TC1121、TC1219、ADM660 及ADM8828等。

3. 扩大输入电压范围

ICL7660电荷泵电路的输入电压范围为1.5～10V，为满足部分电路对更高负压的需求，已开发出输入电压可达18和20V新产品可转化为-18 或-20V负电压。TC962、TC7662A 输出电压范围为3~18V，ICL7662、Si7661 输入电压可达20V。

4. 减少占印板面积

有两种措施可以减少电荷泵变换器的印刷板面积：使用贴片或小型封装IC，新产品采用SO封装、μMAX包装和开发尺寸较小的包装SOT-23封；其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时，电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关：工作频率越高，电容容量越小。工作频率在几kHz到几十kHz时，往往需要外接10μF的泵电容；新型器件工作频率已提高到几百kHz，个别的甚至到1MHz，其外接泵电容容量可降到1～0.22μF。

　　ICL7660 工作频率为10kHz，外接10μF电容；新型TC7660H 的工作频率提高到120kHz，其外接泵电容已降为1μF。MAX1680/1681 的工作频率高达1MHz，在输出电流为125mA 时，外接泵电容仅为1μF。TC1142 工作频率200kHz，输出电流20mA 时，外接泵电容仅为0.47μF。MAX881R 工作频率100kHz，输出电流较小，其外接泵电容仅为0.22μF。

　　若采用SOT-23 封装的器件及贴片式电容，则整个电荷泵变换器的面积可做得很小。

　　5. 输出负电压可设定（调整）

　　一般的电荷泵变换器的输出负电压VOUT = -VIN，是不可调整的，但新型产品MAX1673可外接两个电阻R1、R2来设定输出负电压。输出电压VOUT 与R1、R2 的关系为：

　　VOUT = -（R2/R1）VREF

　　式中VREF为外接的基准电压。MAX881R、ADP3603～ADP3605、AIC1840/1841 等都有这种功能。

　　6. 两种新型的四倍压器件

　　MAX662A是一种输入5V 电压输出12V 带稳压的电荷泵变换器，输出电流可达30mA，它用于闪速存储器编程电源（Flash Memory Programming Supply）。该器件实际上是经两次倍压（四倍压）后其经稳压后输出。

　　LTC1502 是另一种工作原理与MAX662A 相同的四倍压器件（它是LT 公司1999 年一季度推出的新产品）。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出3.3V 稳定的电压。另外，它最低的输入电压为0.9V，可充分利用电池的能量。输出电压精度为3.3V±4%，输出电流为10mA。该器件静态电流仅为40μA，并有关闭电源控制，外围元件仅5 个电容，若采用贴片式电容，整个电源面积小于0.125 平方英寸。

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