电荷泵电路动作原理及特点

电荷泵电路通常又称为切换式电容转换器(Switched capacitor converter)包含二极管或切换开关与电容的切换网路，图2为电荷泵IC之使用电路，IC内部具有两个可控式开关与振荡器，其外部接两个电容C1、C2，此电路亦可由离散元件组成如图3(a)所示，只要一个振荡器，如NE555与一个逻辑反向，如4009UB及两个二极管D1、D2和两个电容C1、C2即可组成简单的电荷泵电路。其动作原理如下∶

(1)若控制脉冲为低电平时，其反向输出为高电平，其等效电路如图3(b)所示，此时D1乃顺向偏压，D2为逆向偏压，C1的跨压Vc1最高可充电至Vc1-(Vcc-Vd)的电压量，式中的Vd为二极管的顺向偏压，此时的电流方向如图上的I所示。

(2)当控制脉冲为高电平时，其反向输出为低电平，此时C1的跨压Vc1的正端相当於接地，如等效电路图3(c)所示，此时D1为逆向偏压，而D2为顺向偏压，承接刚才的C1跨压，C2最高可充电至-(Vcc-2Vd)的电压，而其电压对应於接地是负的。

其中C1飞轮电电容来回移动，电荷由输入至输出，而C2储能电容稳住电荷，对输出电压有稳定作用。在此电路，可以控制脉冲的充电周期来达到理想的输出。

然而电荷泵的电路除应用於降压外，仍可应用於升压，以MAXIM公司出品的IC编号为MAX619的电荷泵IC为例，如图4所示。其操作原理如下∶

(1)当开关SW1、SW3与SW7、SW5导通，而其他开关打开(OFF)时，其C1、C2各自充电至大小约为V1的电压。

(2)承上个状态，当开关SW2、SW4、SW6导通，而其他开关打开(OFF)时，前状态所充的约V1大小的电压和电容C1、C2上的电压串联起来对C4电容充电而得到输出电压Vo其最高可充至VI的3倍电压。

MAX619的使用规格为1.8V-3.6V时，输出可为5V/20mA，而输入大於3V时，输出可为5V/50mA，其消耗功率如下式∶Powerloss = Iout×[(2或3)VI-Vo]其消耗功率端视放大後的电压(2或3)VI和Vo的差压及输出电流Iout大小而定，由电路都是电容元件，此电路的效率会比低压降转换器(LDO)高得多，而且电路架构不需要电感，且其使用电容可用陶瓷电容即可。因此电磁干扰小，体积及价格上亦较电感低，在便携式电源的设计当中占有极重要的角色。

电荷泵电路的特点如下∶

· 容易使用∶除输入输出端各加一个电源外，再加一个泵电容(Cpump)即可。

· 相较於LDO，电路效率较高。

· 低EMI或输出纹波。

· 输出电源的瓦数和VI/Vout电压比值受限。

· 价钱中等。

常用的电荷泵电路IC如TI的TPS601XX~TPS603XX，　特公司的LTC1682、LTC1516/17，或MAXIM的/1912/1916，ON semiconductor的NCP5603等都是。

图2. 电荷泵IC 之使用电路

图3(a). 简单的电荷泵电路

图3(b). 控制脉冲(CLK)为低电平时的等效电路

图3(c)、控制脉冲(CLK)为高电平时的等效电路