与基于电感器的开关稳压器相比， 高压充电泵可简化电源转换

充电泵 IC 用电容器作为储能元件来产生输出电压。例如，考虑图 1 所示的基本"倍压器"充电泵电路。该电路采用单个浮动电容器 (图中的 CFLY) 和 4 个由两相时钟驱动的内部开关 (内有"x"的圆圈)，产生比输入电压大一倍的输出电压。在时钟的第一个相位 (图中的 θ1)，一对开关给浮动电容器充电，使其达到输入电压 (VIN)。在时钟的第二个相位 (图中的 θ2)，第三个开关将该电容器的负端连接至 VIN，在电容器的正端有效地产生 2 * VIN。第四个开关将浮动电容器的正端连接到输出电容器。在无负载情况下，电荷将在每个周期中传送到输出电容器，直至输出充电至 2 * VIN 为止，从而产生等于两倍输入电压。当存在输出负载时，输出电容器 (图中的 COUT) 在第一个相位上提供负载电流，而在第二个相位上，浮动电容器提供负载电流，并给输出电容器充电。为了传送电荷，输出将稳定在一个略低于 2 * VIN 的电压上。输出电容器在两个时钟相位上的充电和放电产生了输出纹波，该纹波是输出电容器值、时钟频率和输出负载电流的函数，

图 1：基本的充电泵倍压器电路

其他所有充电泵电路拓扑都是以这一基本电路为基础的，只是增加 / 改变开关和电容器以及时钟相位数量而已。视控制器和电路拓扑的不同而不同，充电泵可以产生任意大小的输出电压，例如 2 倍、3 倍于输入电压的输出电压，等于输入电压一半的输出电压、负输出电压，与输入电压成分数比例的输出电压，如等于输入电压 3/2、4/3、2/3 的输出电压。在接近理想充电比时，充电泵的效率可以非常高。在上述的倍压器例子中，理想情况下，输入电源电流等于输出负载电流的两倍，输入功率等于输出功率。现实情况是，由于静态工作电流和其他损耗，效率略低于理想情况。充电泵用途广泛，可用于多种应用和细分市场。充电泵由于采用了创新性设计方法而更加坚固，为应用于严酷的工业和汽车环境创造了机会。

汽车和工业设计面临的挑战

为汽车应用设计电子系统极富挑战性，原因有很多，包括宽工作温度范围、严格的 EMI (电磁干扰) 和瞬态要求以及汽车 OEM (原始设备制造商) 所要求的高质量。汽车仪表板内非常拥挤，塞满了电子产品。雪上加霜的是，还有从蓝牙到基于手机的网络连接等各种无线系统。因此，当务之急是，给这种散热受限的环境增加任何组件，都要注意不能产生过多的热量或太大的 EMI。对于辐射型和传导型电磁干扰、抗辐射和传导性或辐射和传导敏感性以及静电放电 (ESD)，都有严格的电磁兼容性 (EMC) 要求。能否满足这些要求影响到 IC 设计的多种性能。充电泵 (无磁性元件，无电感器) 的低 EMI 和低噪声输出使其成为理想选择。充电泵一般比电感性开关的 EMI 低，因为浮动电容器的连接线可以最大限度地缩短，以减轻容性耦合和天线效应。电感器往往比电容器大，其作用如同天线，尤其是未屏蔽时。在现实情况下，与典型数字输出相比，浮动电容器输出根本不会产生更高的 EMI。实际上，它们产生的 EMI 反而更低，因为电路板走线被尽量缩短了。

先来看一下宽工作温度范围这个问题，电源 IC 在两个方面受到了挑战。首先是电源转换，即使在中高效率时，电源转换也要消耗一定量的功率，将其转化为热量。再加上很宽的环境工作温度范围这一挑战，这类 IC 的最高结温常常能超过 125ºC。即使车身中的电子产品不在汽车的引擎罩内，密封塑料封装的电子控制模块内部的环境温度也能达到 95ºC。由于这些温度挑战，许多额定工作温度为 85ºC 甚至 125ºC 的 IC 都不足以在高温下持续工作。因此，在许多这类应用中，要求 IC 能够在温度高达 +150ºC 时正常工作。

然而，在汽车环境中还有进一步的挑战 (例如较寒冷的环境温度)，这就要求能够升压至 5V 或者安然度过低压冷车发动 (~3V) 至 5V 的转换，在这种情况下，输入可能低于所希望的输出。这时通常需要既能够降压又能够升压的器件。此外，连接到汽车电池输入的 DC/DC 转换器必须承受由交流发电机