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(huán)，用較低的輸入電壓產生較高的脈沖電壓輸出。在循環(huán)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(tài)，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。

?電荷泵電路是一種利用開關電容技術實現電壓轉換的電路，主要通過交替充電和放電電容器來實現電壓的倍增或變換。? 具體來說，電荷泵電路通過精心定時的開關操作來控制電容器的充放電過程，從而將輸入電壓轉換為所需的輸出電壓。這種電路通常由電容器和開關(如場效應晶體管)組成，利用電容器的電荷轉移特性來工作。?1工作原理

電荷泵電路的工作原理基于電容器的電壓不能瞬時改變的特性。當開關打開時，電容器通過外部電源充電;當開關關閉時，電容器通過內部電路放電，將存儲的電荷轉移到負載上。通過不斷循環(huán)這個過程，電荷泵可以實現電壓的倍增或變換。

電荷泵如何工作?

理解這一點的最好方法是想象以下情況。

您使用 9V 電池為電容器充電，因此電容器兩端的電壓也是 9V。然后你拿另一個電容器也充電到 9V?，F在將兩個電容器串聯起來，測量它們兩端的電壓——18V。

這是電荷泵的基本工作原理——取兩個電容器，分別為它們充電，然后將它們串聯起來，盡管在真正的電荷泵中，重新排列是通過電子方式完成的。

當然，這不僅限于兩個電容器，可以級聯連續(xù)的級以獲得更高的輸出電壓。

電荷泵的局限性

在我們構建一個之前，了解電荷泵的局限性是個好主意。

1. 可用輸出電流——由于電荷泵只不過是循環(huán)充電和放電的電容器，因此可用電流非常低——在極少數情況下，使用正確的芯片可以獲得 100mA，但效率很低。

2.你添加的級數越多，并不意味著電壓輸出增加那么多倍——每一級負載前一級的輸出，所以輸出不是輸入的完美倍數。添加的階段越多，這個問題就越嚴重。

構建電荷泵電路

這里顯示的電路是一個簡單的三級電荷泵，它使用了常青555 定時器 IC。從某種意義上說，這個電路是“模塊化的”——級可以級聯以增加輸出電壓(考慮到第二個限制)。

所需組件

1. 對于 555 振蕩器

555 定時器 - 雙極型

10uF電解電容(去耦)

2x 100nF 陶瓷電容(去耦)

100pF陶瓷電容(定時)

1K電阻(定時)

10K電阻(定時)

2. 對于電荷泵

6x IN4148 二極管(也推薦使用 UF4007)

5x 10uF 電解電容

100uF電解電容

需要注意的重要一點是，電荷泵中使用的所有電容器的額定電壓必須比預期的輸出電壓高幾伏。

電路原理圖

這是它在面包板上的樣子：

電荷泵電路說明

1. 555定時器

這里顯示的電路是一個簡單的555 定時器非穩(wěn)態(tài)振蕩器。時序組件產生大約 500kHz 的頻率(對于雙極 555 而言，這本身就是一項壯舉)。這種高頻率可確保電荷泵上的電容器定期“刷新”，從而使輸出電壓不會產生太大的紋波。

應用場景

電荷泵電路在許多領域有廣泛應用，包括：

?集成電路?：為芯片內部提供所需的高壓電源。

?模擬電路?：用于放大器、濾波器等模塊的高壓供電。

?無線通信?：在射頻模塊、天線驅動器等系統(tǒng)中提供高功率、高壓電源。

?傳感器和執(zhí)行器?：提供所需的高電壓驅動信號。

?醫(yī)療設備?：如心臟起搏器、醫(yī)學成像系統(tǒng)等，用于提供穩(wěn)定的高壓電源。

?航空航天?：在衛(wèi)星、飛機等設備中提供穩(wěn)定的高電壓輸出。

?汽車電子?：滿足車載傳感器、馬達驅動器等設備對高電壓信號的需求。

?能源管理?：在太陽能電池板、風力發(fā)電機等系統(tǒng)中應用。

優(yōu)缺點

電荷泵電路的主要優(yōu)點包括：

?尺寸小?：不需要使用電感器，因此比開關模式穩(wěn)壓器小得多。

?高效率?：相對于線性穩(wěn)壓器，電荷泵具有更高的轉換效率和較低的靜態(tài)功耗。

?可編程控制?：通過控制開關管的工作方式和頻率，可以根據需要動態(tài)調節(jié)輸出電壓和功率。

缺點包括：

?效率較低?：通常低于開關穩(wěn)壓器，且輸出紋波和噪聲較高。

?適用范圍有限?：適合低負載電流和中等輸入輸出電壓差的應用。

電荷泵的應用

電荷泵轉換器常用于倍壓或反壓型DC-DC 轉換。電荷泵電路采用電容作為儲能和傳遞能量的中介，隨著半導體工藝的進步，新型電荷泵電路的開關頻率可達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器，即輸入正電壓，輸出為負電壓，電子產品中，往往需要正負電源或幾種不同電壓供電，對電池供電的便攜式產品來說，增加電池數量，必然影響產品的體積及重量。采用電壓反轉式電路可以在便攜式產品中省去一組電池。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，并且減小電源的空間。

雖然有一些DC/DC 變換器除可以組成升壓、降壓電路外也可以組成電壓反轉電路，但電荷泵電壓反轉器僅需外接兩個電容，電路最簡單，尺寸小，并且轉換效率高、耗電少，所以它獲得了極其廣泛的應用。

目前不少集成電路采用單電源工作，簡化了電源，但仍有不少電路需要正負電源才能工作。例如，D/A 變換器電路、A/D 變換器電路、V/F或F/V 變換電路、運算放大器電路、電壓比較器電路等等。自INTERSIL公司開發(fā)出ICL7660電壓反轉器IC后，用它來獲得負電源十分簡單，90 年代后又開發(fā)出帶穩(wěn)壓的電壓反轉電路，使負電源性能更為完善。對采用電池供電的便攜式電子產品來說，采用電荷泵變換器來獲得負電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數量、減少產品的體積、重量，并且在減少能耗(延長電池壽命)方面起到極大的作用。現在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流，效率達到75%(平均值)。

電荷泵負壓電路的工作原理

電荷泵負壓電路是一種利用電容儲能的DC/DC變換器，也被稱為開關電容式電壓變換器。它通過電容的充電與轉移，可以使輸入電壓升高或降低，甚至產生負壓。

在電荷泵負壓電路中，PWM(脈沖寬度調制)波形的高電平對應Q2導通，而PWM的低電平對應Q1導通。VG1是一個階躍信號，通常設置為方波，具有一定的振幅和頻率。當VG1的PWM信號處于高電平時，電流的方向是VG1→C1→D1→GND，此時電容C1進行充電，其兩端形成左正右負的電勢差，即VH。而當VG1的PWM信號處于低電平時，電流的方向變?yōu)镃2→D2→C1→VG1，此時C1進行放電，同時對C2進行充電。由于電容兩端電壓不能突變的特性，當C1左端變?yōu)?時，VF1端會變?yōu)?VH，忽略D2的壓降，VF2自然得到一個負壓輸出-VH，這個負壓值受VG1頻率和振幅的影響。

電荷泵負壓電路的應用場景

電荷泵負壓電路在電子設備中有廣泛的應用，例如：

LCD屏幕背光驅動：LCD屏幕背光需要高壓驅動，電荷泵負壓電路可以將低電壓轉換為高電壓，驅動LCD屏幕背光。

電子氣體放電燈驅動：電子氣體放電燈需要高壓驅動，電荷泵負壓電路可以將低電壓轉換為高電壓，驅動電子氣體放電燈。

電子鐘表驅動：電子鐘表需要低電壓驅動，電荷泵負壓電路可以將低電壓轉換為高電壓，驅動電子鐘表。

電子游戲機驅動：電子游戲機需要高壓驅動，電荷泵負壓電路可以將低電壓轉換為高電壓，驅動電子游戲機。

總之，電荷泵負壓電路在電子設備中有著廣泛的應用，可以將低電壓轉換為高電壓，驅動各種電子設備。

【結語】

電荷泵負壓電路是一種利用電容儲能的DC/DC變換器，可以實現輸入電壓升高或降低，甚至產生負壓。本文詳細介紹了電荷泵負壓電路的工作原理和應用場景。在電子設備中，電荷泵負壓電路有著廣泛的應用，可以將低電壓轉換為高電壓，驅動各種電子設備。