電荷泵是DC-DC轉換器的一種形式，它依靠電容器而不是電感器進行能量存儲和傳輸。由于沒有電感器，因此在需要低功耗輔助電源（輸出電流高達約150mA）的情況下具有吸引力。它們使用更少的電路板面積，提供最小的元件高度，并且易于使用。

電荷泵可以具有穩壓或非穩壓輸出。未穩壓電荷泵使為其供電的電壓加倍或反相，輸出電壓是電源電壓的函數。一個穩壓電荷泵對電源電壓進行升壓或反相處理。其輸出電壓與電源無關。

減小電容器尺寸和優化輸出電流的技術（快速開關速度和低導通電阻開關）也會在輸入電源引腳上產生噪聲和瞬態紋波。噪聲會沿著輸入電源引腳傳播回去，給晶體控制振蕩器、VCO和其他電源抑制性能差的敏感電路帶來問題。本文重點介紹降低噪聲的方法。

簡化操作

首先，考慮將電荷泵連接為逆變器。在簡化版本（圖1）中，操作由占空比為2%的兩相時鐘信號控制。泵電容（電荷轉移元件）充電至V在通過閉合SW1A和SW1B。SW2A 和 SW2B 目前開放。在下一個時鐘周期，SW2A 和 SW2B 的閉合將泵浦電容連接到 C外，從而產生 -V在在輸出端。

圖1.作為逆變器連接的電荷泵的簡化圖。

接下來，將電荷泵連接為倍增器（圖2）。與以前一樣，操作由兩相、占空比為2%的時鐘信號控制。泵浦電容器是電荷傳輸裝置，充電至V在通過關閉SW2A和SW2B（SW1A和SW2B此時打開）。在下一個時鐘周期，SW1A和SW1B的閉合產生+2V在通過將泵浦電容器連接到 C 在輸出端外.

圖2.作為倍增器連接的電荷泵的簡化示意圖。

輸入和輸出紋波是由泵浦電容器的快速充電和放電引起的。圍繞MAX3電荷泵構建的反相電路（圖665）在5Ω兩端產生51V電壓，說明了輸入紋波偽像（圖4）。（大電流、低頻（≤100kHz）MAX665產生的紋波很容易測量。

圖3.該電荷泵逆變電路用于測量。

圖4.標準逆變電路的輸入電壓和電流紋波：C在= C泵= C外= 100μF，R負荷= 51Ω,V在= +5.73V和V外= -5.06V。輸入電流紋波（上跡線）：100mA/格輸入電壓紋波（下跡線）：200mV/格，交流耦合。

紋波抑制方法

為了減少紋波，必須將紋波源與電路的其余部分隔離開來。為了在電荷泵中獲得最佳轉換效率，還應最大限度地降低ESR，并確保輸入、輸出和泵電容值盡可能接近數據手冊中推薦的值。以下討論涵蓋了四種最小化紋波及其影響的技術。

降低輸入電容器中的 ESR 意味著多個電容器并聯：N 個相同的電容器并聯可將輸入紋波降低 N-1.不幸的是，這種方法在成本和印刷電路板面積方面不是很有效。

相反，在輸入電源引腳上添加一個LC濾波器（圖5）。附加濾波可防止紋波通過輸入電源走線傳播到其他電路。作為二階濾波器，LC網絡最大限度地減少了元件數量。此外，其小串聯電感在輸入電源和電荷泵之間產生最小的壓降。

紋波頻率基波等于泵浦頻率（F時鐘/2).二階濾波器的衰減頻率為40dB/十倍頻程，因此理想的濾波器頻率應至少比所選的F低十倍頻程時鐘/2.

電感必須處理大于1.5I的直流電流外沒有飽和度。對于臨界阻尼（即無峰值），

濾波器應具有臨界阻尼或靠近阻尼，給定R的低阻抗值源和 R負荷.然而，臨界阻尼對于電路運行并不重要。即使在滾降點出現一些峰值，濾波仍然有效。一個 10μF 濾波電容器和 10μH 濾波扼流圈共同提供 3.15kHz 的 9dB 頻率和一個臨界 R源的 1Ω。圖6顯示了圖5電路在不同阻尼比下的幅度響應，圖7顯示了其較低的紋波水平（與圖3的電路相比）。

在電荷泵的輸入電源（圖8）中添加一個低壓差線性穩壓器，可產生一個有效的通用電路，以防止紋波對系統其余部分的影響。輸入LDO還采用比無源LC濾波器更小的電容工作：300mA MAX8860 LDO （采用8引腳μMAX封裝）在輸入和輸出端需要2.2μF電容;MAX8863–MAX8864系列120mA線性穩壓器（采用SOT23封裝）僅需1μF陶瓷電容。但是，LDO必須處理至少兩倍的電荷泵輸出負載電流。與等效的無源濾波器相比，這種額外電流能力的額外成本可能會使LDO方法在成本和性能（PCB面積和衰減）方面超出界限。?

在輸入電源（圖9）增加RC是LC濾波器方法的單階版本。一般不建議使用 RC 輸入，因為 R 的值較低濾波器最小效率損耗（< 5Ω）所需的壓力非常大的C濾波器.圖10所示是在圖9電路輸入端增加RC濾波器的效果，其中MAX665與100μF電容產生5V輸出，負載電阻為51Ω

如果輸入電源是電池，則電池的有效大容量電容可以作為C濾波器.因為 C濾波器是一個非常大的電容，所得濾波器在減少電池處的紋波效應方面非常有效。一個例子有助于說明這一點：800mAH鋰電池的電容可以從以下公式得出：

因此，C = 847 法拉和 f濾波器= 0.12mHz。ESR和電池接觸電阻之和（約100mΩ）將衰減限制在最大21dB，假設紋波源電阻（R濾波器） 等于 1Ω。實際電池的模型更為復雜，中央大容量電容由ESR、ESL和寄生電容修改。在實踐中，應添加接近R的電容濾波器，從而為電池及其互連引線提供高于 250kHz （< 50mΩ） 的高頻輔助和低 ESR。附加 C 的典型值濾波器為 470nF。對于圖665的MAX10電路，增加C濾波器至1500μF可降低輸入電壓和電流紋波，如圖11所示。

結論

有幾種方法可用于降低電荷泵引起的輸入電源紋波的影響。例如，在數據手冊推薦的輸入電容外放置一個LC濾波器可為系統其余部分提供出色的電壓紋波保護（圖2），對整體轉換效率的影響最小。電池系統的有效替代方案是占用最小空間的簡單串聯電阻 。該電阻器還適用于適合大存儲值 （> 10μF） 的非電池應用。

審核編輯：郭婷