電荷泵的基本原理

電容是存儲電荷或電能，并按預先確定的速度和時間放電的器件。如果一個理想的電容以理想的電壓源%進行充電，如圖1(a)所示，則電容將依據(jù)Dirac電流脈沖函數(shù)立即存儲電荷，如圖1(b)所示。存儲的`總電荷數(shù)量按下式計算。

實際的電容具有等效串聯(lián)阻抗(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)，兩者都不會影響到電容存儲電能的能力。然而，它們對開關電容電壓變換器的整體轉換效率有很大的影響。實際電容充電的等效電路如圖1(c)所示，其中Rs.是開關的電阻。ESL為實際的電容等效串聯(lián)電感，則在電容的充電電流路徑上具有串聯(lián)電感，通過適當?shù)钠骷季衷O計可以減小這個串聯(lián)電感。

圖1 電荷泵工作的基本原理圖

如圖2(a)所示的電路一旦被加電，由于電容的寄生效應限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉移時間，因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷泵就是利用了這種電容特性來工作的。

圖2 電荷泵電路及其工作波形

電壓變換在兩個階段內得以實現(xiàn)。在第一個階段期間，開關S1和S2關閉，而開關S3和S4打開，電容充電到其值等于輸入電壓。

在第二個階段，開關S3和s4關閉，而S1和S2打開。因為電容兩端的電壓降不能立即改變，輸出電壓則跳變到輸入電壓值的兩倍，即

使用這種方法可以實現(xiàn)電壓的倍壓，通常開關信號的占空比為50%時，能產生最佳的電荷轉移效率。

圖2(b)中顯示了圖(a)電路實現(xiàn)電壓倍壓的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。如圖(a)所示電路在第一階段時，充電電流會流入到C1中。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR及開關的電阻。在C，充電后，充電電流呈指數(shù)級地降低。充電時間常數(shù)是開關周期的幾倍，更小的充電時間常數(shù)將導致峰值電流的增加。在這個時間內，輸出電容CHOLD線性放電以提供負載電流。

在第二階段，C1+連接到輸出端，放電電流(電流大小與前面的充電電流相同)通過C1流到負載。在這個階段，輸出電容電流的變化大約為2IOUT。盡管這個電流變化應該能產生的輸出電壓變化為2IOUT×ESRCHOLD，但使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計。此時，CHOLD線性地充電。當C1連接到輸入和地之間時，CHOLD線性地放電。總的輸出紋波峰-峰電壓值為

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在更高的開關頻率時可以采用更小的輸出電容來獲得相同的紋波，電荷泵的寄生效應會導致輸出電壓隨著負載電流的增加而下降。事實上，總是存在2IOUT的電流流過C1和兩個開關導通電阻(RSW)，導致產生的功耗為

除了這些純粹的電阻損耗，電流IOUT流過開關電容C1的等效電阻時產生的功耗為

流過CHOLD的電流等于IOUT，其產生的功耗為

所有這些損耗可以用下面的等效輸出電阻進行匯總。

這樣一來，電荷泵的輸出電壓為

電荷泵的開關工作示意圖如圖3所示。同樣的，電壓轉換在兩個階段內得以實現(xiàn)。在第一個階段，開關S1～S3關閉，而開關S4～S8打開。因此，C1和C2并聯(lián)，假設C1=C2則充電到一半的輸入電壓為

圖3 電荷泵的開關工作示意圖

輸出電容CHOLD提供負載電流，隨著輸出電容的放電，輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，并連接在UIN和UOUT之間。開關S4～S7關閉，而S1～S3和S8打開。因為電容兩端的電壓降并不能突變，故輸出電壓跳變到輸入電壓值的1.5倍;若關閉S8并保持S1～S7打開，則電路工作在1倍壓線性模式下。

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(1)2倍壓結構

2倍壓結構，顧名思義也就是在輸出端的UOUT電壓為兩倍的輸入端電壓UIN，其所需要的器件為開關S1～S4與電容CIN、COUT、CPUMP，如圖4所示。而該電路的動作過程可分為充電階段與轉移階段(Transfer Phase)。

圖4電荷泵的2倍壓結構

充電階段：S1和S4閉合，S2和S3打開，此時輸入電壓(UIN)對CPUMP充電，CPUMP兩端的電壓為UIN。

轉移階段：S1和S4打開，S2和S3閉合，此時輸入電壓(UIN)與CPUMP串聯(lián)對COUT充電，如此在COUT端的輸出電壓即為兩倍的輸入電壓。

(2)1.5倍壓結構

1.5倍壓結構也就是在輸出端產生1.5倍的UIN電壓，其所需要的器件為開關S1～S2與電容CIN，COT，CPUMP1，CPUMP2，如圖5所示，而電路動作過程同樣可分為充電階段與轉移階段。

圖5 電荷泵的1.5倍壓結構

充電階段：S1、S4和S7閉合，S2、S3、S5和S6打開，此時輸入電壓(UIN)對CPUMP1和CPUMP2充電，如此在電容兩端的電壓均分別為I/2UIN。

轉移階段：S1、S4和S7打開，S2、S3、S5和S6閉合，此時CPUMP1與CPUMP2，為并聯(lián)再與輸入電壓(UIN)串聯(lián)，然后對C。UT充電，如此在C。I T端的輸出電壓即為1.5倍壓的輸入電壓。

使用7個切換開關可以實現(xiàn)輸出電壓為輸入電壓的1.5倍壓。實現(xiàn)輸出電壓為1.5倍輸入電壓的電荷泵電路，當其開關信號的占空比通常為50%時，可產生最佳的電荷轉移效率。

(3)負壓結構

負壓結構也就是在輸出端的電壓COUT為負的UIN，其所需器件為開關S1～S4與電容CIN、COUT、CPUMP1，而電路動作過程同樣可分為充電階段與轉移階段。

充電階段：S1和S2閉合，S3和S4打開，此時輸入電壓(UIN)對CPUMP充電，如此在電容CPUMP兩端的電壓為(UIN)。

轉移階段：S1和S2打開，S3和S4閉合，此時CPUMP對COUT充電，在COUT端的輸出電壓即為負的輸入電壓，而輸入端對輸出端而言即可獲得兩倍的電壓差。使用這種方法可以實現(xiàn)輸出電壓為負的輸入電壓，開關信號的占空比通常為50%。