電荷泵如何實現(xiàn)增加或反轉(zhuǎn)DC電壓的技術(shù)
電荷泵是一種增加或反轉(zhuǎn)DC電壓的技術(shù)。例如，+5V可以轉(zhuǎn)換為+10V或-5V(或更高/更低的值)。與…相比升壓轉(zhuǎn)換器電荷泵需要更少的元件和更少的PCB空間，并且更便宜;然而，電荷泵的局限性在于它們只能提供相對少量的電流。由于低電流限制，電荷泵最適合信號(通信)或驅(qū)動LCD背光等應(yīng)用。歷史上，一個常見的應(yīng)用是產(chǎn)生+3V至+15V和-3V至-15V的RS232通信收發(fā)器(如MAX232)。
理論
電荷泵的工作原理非常簡單。關(guān)于電，我們學(xué)到的第一件事是，如果我們將電池串聯(lián)，那么它們的電壓就會相加。
另一個電學(xué)基礎(chǔ)是電容器就像小電池。
如果我們可以用一個電壓源給一個電容器充電，然后迅速將其與電壓源串聯(lián)重新定位，那么我們就可以使電壓加倍(與串聯(lián)添加電池增加其電壓的方式相同)。在電路中，重新定位可以通過開關(guān)來完成——機械開關(guān)(物理開關(guān)或電磁繼電器)或固態(tài)開關(guān)(晶體管/二極管)。
就產(chǎn)生負電壓而言，這只是重新定位電容器的情況，使得其正充電端子連接到電壓源的負端子。
該原理也可以被縮放，因為任意數(shù)量的電容器可以在電壓源處被并聯(lián)充電，然后被重新放置在堆疊中。
電荷泵原理圖
在原理圖上，上述配置可以按如下方式完成：
(截圖是在切換的瞬間后稍微捕捉到的，此時電容已經(jīng)稍微放電了。)
電壓反轉(zhuǎn)看起來如下：
當(dāng)然，如果有任何負載，則電容器將立即開始放電，因此有必要在并聯(lián)和串聯(lián)配置之間不斷地來回切換電容器，以便保持對其再充電。
為了在開關(guān)時保持輸出電壓相對恒定，我們可以在輸出端增加一個電容。
這在一定程度上平滑了輸出。
然而，讓某人來回撥動開關(guān)來運行電荷泵顯然是不實際的，并且為了用合理尺寸的電容器保持相對穩(wěn)定的輸出電壓，需要非?？焖俚拈_關(guān);因此需要快速時鐘信號來運行切換。
時鐘電荷泵
在上述電路中，MC34063降壓轉(zhuǎn)換器用于將25V降壓至5V。開關(guān)晶體管集成在控制器內(nèi)部，因此不需要外部晶體管?？刂破魇褂梅答侂娮鑂2/R3監(jiān)控輸出電壓，并在負載上保持恒定的輸出電壓。
給定一個時鐘信號，我們可以將該信號連接到電容的負極，并通過二極管將電容的正極連接到正電壓源。
當(dāng)時鐘信號為低電平(0V)時，電容器將通過二極管充電至正電源電壓(減去二極管上的電壓降)。
當(dāng)時鐘信號為高電平(電源電壓，本例中為+1.5V)時，存儲在充電電容中的電壓將被添加到其負引腳的電壓之上，從而產(chǎn)生雙倍的輸出電壓。
(二極管防止電容器放電至電源電壓。)
結(jié)果是時鐘電壓加倍。
為了平滑輸出電壓，我們可以在輸出端增加另一個電容和一個二極管，以防止它在時鐘周期的低相位反向放電。
我們現(xiàn)在有一個非常平滑的輸出電壓。
由于二極管上的壓降(1.5V對于電源電壓來說非常低，二極管上的壓降相對較大，對于5V/9V/等電源電壓來說相對較小)以及現(xiàn)實世界電子元件的非理想特性(如內(nèi)阻)，平滑后的輸出電壓并不是輸入電壓的兩倍，但它會大幅提升至電源電壓以上，我們可以通過調(diào)整原理和增加更多泵級來進一步提升。
迪克森電荷泵
增加額外的泵級需要反相時鐘。使用簡單的N-MOSFET和上拉電阻可以實現(xiàn)時鐘反轉(zhuǎn)：
然而，這僅適用于較高的電源電壓，因為典型N-MOSFET的柵極閾值電壓約為2.1V，所以此時我們將切換到+5V電源。
我們將反相時鐘連接到第2級電容的負極：
讓我們分析一下這是如何工作的(為了簡單起見，忽略二極管/晶體管上的壓降)。
最初，時鐘為低電平，第1級電容充電至電源電壓(+5V)。第2級電容還沒有充電，因為它的正負引腳上都有電源電壓。
接下來，時鐘變?yōu)楦唠娖?，第二級充電?10V，與之前一樣。
現(xiàn)在，時鐘再次變低，導(dǎo)致反相時鐘變高，并將現(xiàn)在充電的第2級電容升壓至電源電壓的3倍(+15V)。
同樣，由于二極管和非理想真實元件上的壓降，輸出電壓不完全是+15V，但肯定是電源電壓的兩倍以上。
這個過程可以被鏈接和縮放，以產(chǎn)生任意高的輸出電壓
這種類型的電荷泵拓撲被稱為Dickson電荷泵。
馬克思發(fā)生器
另一個有趣的設(shè)計是馬克思發(fā)生器：
在這個設(shè)計中，火花隙被用作開關(guān)?；鸹ㄏ妒窍喔粢欢ň嚯x放置的導(dǎo)體，一旦它們之間的電壓高于絕緣體擊穿電壓(空氣中約為30kV/cm)，就會導(dǎo)致導(dǎo)電。一旦所有并聯(lián)電容器被充電，通過觸發(fā)第一火花隙，火花隙上的連鎖反應(yīng)被啟動。使用這種技術(shù)，可以產(chǎn)生幾十萬伏的電壓。
將我們的思維轉(zhuǎn)回普通的電子學(xué)，值得一提的是，有一些方便的集成電路(IC)可以簡化在設(shè)計中添加電荷泵的過程——只需要一個電源電壓和兩個電容——例如工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TC7660。
還提供更先進的電荷泵IC，通過仔細控制驅(qū)動電荷泵的時鐘，同時仔細監(jiān)控輸出電壓，這些IC可以輸出相對精確的調(diào)節(jié)電壓。
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