4 電荷泵

電荷泵（charge pump），也稱為開關(guān)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(lái)儲(chǔ)能的DC-DC(變換器)。

4.1 電荷泵工作原理

首先我們簡(jiǎn)單講解下電荷泵基礎(chǔ)工作原理，也就是自舉電路原理。

設(shè)D1、D2為理想二極管。

1）Vb輸出0V時(shí)，Va向C1、C2電容充電，最終C1、C2電壓為Va；

2）Vb輸出Vb時(shí)，C1電壓突變?yōu)閂a+Vb。此時(shí)C2為Va，小于C1電壓。C1向C2充電，最終C1、C2電壓為Va+△V1；

3）Vb再次輸出為0V，C1電壓突變?yōu)閂a+△V1-Vb。Va向C1電容充電，最終C1為為Va，C2為Va+△V1；

4）Vb再次輸出Vb時(shí)，C1電壓突變?yōu)閂a+Vb。此時(shí)C2為Va+△V1，小于C1電壓。C1向C2充電，最終C1、C2電壓為Va+△V1+△V2；

5）以此類推，經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期后，Vc=Va+Vb。

同樣若想獲得一個(gè)更低的負(fù)壓，該如何做呢？

原理是一樣的，Va為負(fù)壓，則調(diào)整二極管方向如下，最終Vc=Va-Vb。。

了解了電荷泵的工作原理。根據(jù)電力轉(zhuǎn)換分類，我們將簡(jiǎn)單說(shuō)下三種類型的電荷泵。

1）倍壓型電荷泵。

2）穩(wěn)壓型電荷泵。

3）反向型電荷泵。

4.2 倍壓型電荷泵

最常見的倍壓型電荷泵為二倍壓電荷泵。

二倍壓電荷泵升壓電路如下圖所示：

二倍壓電荷泵升壓的工作原理就是自舉電路原理的一樣。只不過(guò)使用4個(gè)晶體管替代了二極管的作用。

1）VDD為輸入供電電源，CF為flying電容，CL為儲(chǔ)能電容，開關(guān)S1～S4可以由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，它們由兩路互補(bǔ)的時(shí)鐘信號(hào)CLK1與CLK2控制，如下圖所示。

2）在充電階段，開關(guān)S1/S4閉合（導(dǎo)通），S2/S3打開（關(guān)斷）。flying電容CF被充電到輸入電壓VDD，并儲(chǔ)存能量，儲(chǔ)存的能量將在下一個(gè)放電階段被轉(zhuǎn)移。儲(chǔ)能電容CL，在上一個(gè)放電周期就已經(jīng)被從CF轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的能量充電到2VDD電壓，并提供負(fù)載電流。

3）在放電階段，開關(guān)S1/S4打開，S2/S3閉合。CF的兩端的總電壓現(xiàn)在成為2VDD（這也是二倍壓電荷泵名稱的由來(lái)）。然后，CF放電將充電階段存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到CL，并且提供負(fù)載電流。

如果我們想使用電荷泵獲得更多倍數(shù)的電壓該如何做呢？

使用自舉電路套娃即可，如下圖所示。

4.3 穩(wěn)壓型電荷泵

穩(wěn)壓型電荷泵相當(dāng)于倍壓型電荷泵+調(diào)整電路。

我們充電寶一般就使用的就是穩(wěn)壓型電荷泵。同學(xué)們可以想想是為什么?

一般有倍壓型電荷泵+開關(guān)調(diào)整和倍壓型電荷泵+LDO兩種。

4.3.1 開關(guān)調(diào)整穩(wěn)壓型電荷泵

開關(guān)調(diào)整穩(wěn)壓型電荷泵工作原理與Buck型DC/DC類型。當(dāng)Vout＜設(shè)定電壓時(shí)，進(jìn)入充電階段。當(dāng)Vout＞設(shè)定電壓時(shí)，進(jìn)入放電階段。下圖為一典型的開關(guān)調(diào)整穩(wěn)壓型電荷泵框圖 。

4.3.1 LDO穩(wěn)壓型電荷泵

LDO穩(wěn)壓型電荷泵工作原理為將電源倍壓完成后，通過(guò)LDO穩(wěn)壓輸出。下圖為一典型的LDO穩(wěn)壓型電荷泵框圖 。

4.4 反向型電荷泵

反向型電荷泵的作用就是正電源轉(zhuǎn)負(fù)電源或負(fù)電源轉(zhuǎn)正電源。

掌握了倍壓型電荷泵后，再看反向型電荷泵就簡(jiǎn)單了。相等于調(diào)整了開關(guān)的接地位置。工作原理如下：

1）充電階段，開關(guān)S1/S2閉合（導(dǎo)通），S3/S4打開（關(guān)斷）。flying電容CF被充電到輸入電壓Vin。

2）放電階段，開關(guān)S1/S2打開（關(guān)斷），S4/S4閉合（導(dǎo)通）。flying電容CF電壓翻轉(zhuǎn)為-Vin，放電給儲(chǔ)能電容CL。Vout=-Vin。

同學(xué)們可以思考下如何想要獲得反向倍壓電荷泵和反向穩(wěn)壓電荷泵？

4.5 電荷泵的優(yōu)劣勢(shì)

1）成本

電荷泵的控制電路簡(jiǎn)單，電容成本也低于電感，故設(shè)計(jì)復(fù)雜度及成本上電荷泵都具有優(yōu)勢(shì)。

2）效率

非調(diào)整型的電荷泵的效率一般高于電感性開關(guān)穩(wěn)壓器；

調(diào)整型的電荷泵的效率是低于電感性開關(guān)穩(wěn)壓器。

3）噪聲

非調(diào)整型的電荷泵的噪聲一般高于電感性開關(guān)穩(wěn)壓器；

調(diào)整型的電荷泵的噪聲是低于電感性開關(guān)穩(wěn)壓器。

4）面積及EMI

電荷泵不使用電感，電容面積也小于電感，故EMI及面積上具有優(yōu)勢(shì)。

5）輸出電流

電荷泵儲(chǔ)能器件為電容，沒(méi)有續(xù)流，故輸出電流較低。