電荷泵，也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC(變換器)。
簡介
電荷泵（charge pump）是一種直流-直流轉換器，利用電容器為儲能元件，多半用來產生比輸入電壓大的輸出電壓，或是產生負的輸出電壓。電荷泵電路的電效率很高，約為90-95%，而電路也相當的簡單。
電荷泵利用一些開關元件來控制連接到電容器的電壓。例如，可以配合二階段的循環，用較低的輸入電壓產生較高的脈沖電壓輸出。在循環的第一階段，電容器連接到電源端，因此充電到和電源相同的電壓，在第一階段會調整電路組態，使電容和電源電壓串聯。若不考慮漏電流的效應，也假設沒有負載，其輸出電壓會是輸入電壓的兩倍（原始的電源電壓加上電容器兩端的電壓）。較高輸出電壓的脈沖特性可以用輸出的濾波電容器來濾波。
工作原理
電荷泵的工作原理是利用高頻振蕩器控制電容的充、放電，將能量由輸入傳給負載(輸出)。電荷泵中不需要電感，它采用電容來存儲能量，電荷泵電源供電電路需要的外接元件通常只需要兩個旁路電容和一個電荷存儲電容(其中，電荷存儲電容也被稱為電荷泵電容，在電荷泵電源供電電路中起到傳輸電荷的作用)，所以電路結構簡單。由于電荷泵可以工作在較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容(1μF)，體積比較小，使用成本低。電荷泵轉換效率較高(高達95%)、耗電小，可產生輸入的反相或倍壓輸出，電荷泵僅用外部電容即可提供2倍的輸出電壓。電荷泵的損耗主要來自電容器的ESR和內部開關晶體管的RDS-ON。電荷泵轉換器不使用電感，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。
分類
電荷泵可分為：
——開關式調整器升壓泵
——無調整電容式電荷泵
——可調整電容式電荷泵
工作過程
3種電荷泵的工作過程均為：首先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。開關式調整器升壓泵采用電感器來貯存能量，而電容式電荷泵采用電容器來貯存能量。
電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現電壓提升，采用電容器來貯存能量。因工作于較高頻率，可使用小型陶瓷電容器(1μF)，占用空間最小，使用成本較低。電荷泵僅用外部電容器即可提供±2倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的等效串聯電阻（ESR)和內部開關晶體管的RDS（ON）。電荷泵轉換器不使用電感器，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容器濾除。它的輸出電壓是工廠生產時精密預置的，可通過后端片上線性調整器調整，因此電荷泵在設計時可按需要增加電荷泵的開關級數，以便為后端調整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應用產品的設計，是一個基準、比較、轉換和控制電路組成的系統。
一般應用
在DCDC電源后，2倍升壓與翻轉負電源，給LCD供電。
主要應用
在過去的十年里，電荷泵得到了廣泛運用，從未調整單輸出IC到帶多輸出電壓的調整IC。輸出功率和效率也得到了發展，因此現在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流，效率達到75%(平均值)。電荷泵大多應用在需要電池的系統，如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統和便攜式電子設備。
主要應用包括驅動用于手機背光的白光LED和毫瓦范圍的音頻處理器。
電荷泵如何工作
電荷泵(開關電容)IC通過利用一個開關網絡給兩個或兩個以上的電容供電或斷電來進行DC/DC電壓轉換。基本電荷泵開關網絡不斷在給電容器供電和斷電這兩個狀態之間切換。C1(充電電容)傳輸電荷，而C2(充電電容器)則儲存電荷并過濾輸出電壓。
額外的“快速電容”和開關陣列帶來多種好處。
電荷泵有哪些工作模式
電荷泵IC可以用作逆變器、分路器或者增壓器。逆變器將輸入電壓轉變成一個負輸出。作為分路器使用時，輸出電壓是輸出電壓的一部分，例如1/2或2/3。作為增壓器時，它可以給I/O帶來一個1.5X或者2X的增益。很多便攜式系統都是用一個單鋰離子電池或者兩個金屬氫化物電池。因此當在2X模式下運行時，電荷泵可以給一般在3.3V到4.0V的范圍內工作的白光LED供應適當的正向電壓。
電荷泵的輸出電壓經過調節嗎
基本電荷泵缺少調整電路，因此實際上所有當今使用的電荷泵IC都增加線性調整或者電荷泵調制。線性調整的輸出噪音最低，并可以在更低的效率情況下提供更好的性能。而由于調整IC沒有串聯傳輸晶體管，控制開關電阻的電荷泵調制就可以提供更高的效率，并為一個給定的芯片面積(或消耗)提供更多的輸出電流。
電荷泵的主要優勢是什么
電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場和電磁干擾。但是，仍然有一個可能的微小噪音源，那就是當快速電容和一個輸入源或者另外一個帶不同電壓的電容器相連時，流向它的高充電電流。同樣的，“分路器”電荷泵也能在LDO上改進效率，但又不會像感應降壓調整器那樣復雜。
電荷泵的輸出電壓和它的輸入電壓適配嗎
電荷泵可以依據電池電壓輸入不斷改變其輸出電壓。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以運行。當電池的輸入電壓較低時，電荷泵可以產生一個相當于輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當電池的電壓較高時，電荷泵則在1X模式下運行，此時負載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸到負載中。這樣就在輸入電壓較高的時候降低了輸入電流和功率損耗。
增加電容的開關頻率會發生什么變化
增加開關頻率也就增加了IC的靜態電流，但是也同時降低了C1和C2的電容值。常態頻率結構提供低噪音調整輸出電壓，同時其輸入噪音也比傳統的電荷泵調節器要低。高頻率操作簡化了過濾，從而進一步降低了傳導噪音。
哪些電容器最適用于電荷泵
要實現最優的性能，就要采用帶低等效串聯電阻(ESR)的電容器。低ESR電容器須用在IC的輸出上，來將輸出波紋和輸出電阻最小化，并達到最高的效率。陶瓷電容器就可以做到這一點，但是某些電容器可能要比較合適一點。
電荷泵軟啟動將帶來什么效應
軟啟動可以在啟動時阻止在VIN出產生過多的電流流量，從而增加了可定期用于輸出電荷儲存電容器的電流量。軟啟動一般在設備被關機時激活，并在設備獲得調整之后立刻屏蔽。
電荷泵IC如何將功率消耗最小化
通過運用脈沖頻率調制，IC只有在當電荷必須傳輸出去來保持輸出調節的時候才產生電荷。當輸出電壓高于目標調節電壓時，IC是閑置的，此時消耗的電流最小，因為儲存在輸出電容器上的電荷會提供負載電流。而隨著這個電容器不斷放電以及輸出電壓逐漸降到目標調節電壓一下，電荷泵才會激活并向輸出傳輸電荷。這個電荷供給負載電流，并增加輸出電容器上的電壓。
參考資料 >