电荷泵电路的基本原理

电路

通过了解电荷泵电路、它们是什么、它们是如何工作的、它们的优缺点以及它们的应用，进一步深入研究开关电容电路什么是电荷泵电路？电荷泵电路，或电荷泵调节器，是一种 DC-DC 转换器，利用开关电容技术来增加或减少输入电压水平。
如图1所示，这些电路模块通常只包括电容器和开关(即时钟控制的场效应晶体管或 FET) ，通过仔细计时和控制这些开关来利用电容器的电荷传输特性。离散设计通常使用二极管而不是晶体管来实现所需的开关操作。

图1。简单的电荷泵电路示意图。图片由德州仪器公司提供
通过交替地充放电电容器，电荷泵可以增加或减少给定的输入电压到所需的水平。
从低层次的角度来看，电荷泵电路工作的基本原理是电容器上的电压不能瞬间变化。根据电容器 I-V 方程的定义，为了使电容器瞬间改变其电压，需要无限大的电流。

[ I _ C = C frac { dV _ C }{ dt }]

由于这在物理上是不可能的，我们看到电容器不能突然改变其两端的电压。电荷泵利用这种特性，通过使用精心定时的开关来操纵电容器上的电压。

电荷泵倍压电路实例为了更好地理解电荷泵是如何工作的，我们现在来看一个基本的例子: 电压倍增电路。
如图2所示，我们的电压倍增电路由一个由四个周围开关控制的单个电容器组成。

图2。倍压电路原理图
该电路的工作分为两个阶段: 增益阶段和公共阶段。在增益阶段，SW1和 SW2是闭合的，SW3和 SW4是开放的。如图3所示，在这个阶段，C1的正极和负极分别连接到 Vin 和 GND。

图3。在增益阶段，电容器被充电到 Vin
因此，电容器被充电，直到其两端的电压等于 Vin。现在 C1充电到 Vin，我们切换到图4所示的公共阶段。

图4。在普通相中，电容器通过将其正极增压至2 * Vin 来维持电压在共同阶段，SW1和 SW2是开放的，SW3和 SW4是封闭的。这里，C1的负端连接 Vin，而正端连接 Vout。
如前所述，电容器上的电压不能立即改变。正因为如此，电容器将试图维持一个 Vin 的等效电压跨越自身。为了保持这个 Vin 本身，电容器迫使 Vout 的电压等于2 * Vin，使电容器上的等效电压等于 Vin。
当输出电压参考到地面时，电压倍增电路有效地接受 Vin 的输入并产生2 * Vin 的输出电压。

电荷泵电路中的非理想行为很快值得注意的是，我们迄今为止的讨论假定了理想的电容器和理想的开关，这两者在实际应用中都是不现实的。
电荷泵电路中非理想行为的一些来源包括:

金属氧化物半导体场效应管开关损耗

电容器等效串联电阻

Charge leakage 充电泄漏

这些非理想性中的每一个都可能导致电荷泵电路的效率降低，并且与我们迄今为止的方程和例子所建立的模型相比，其行为略有不同。
电荷泵稳压器: 优点，缺点，应用与开关稳压器相比，电荷泵稳压器的一个主要优点是由于不需要使用电感器，其尺寸要小得多。
由于电感值与匝数直接相关，而且匝数越多，需要的空间就越大，所以电感需要大量的板空间。另一方面，电荷泵不需要使用电感器，因此比开关变换器小得多。
下面的表1显示了电荷泵、基于电感的开关模式调节器和低压差(LDO)电路之间的一些主要优缺点。

比较电荷泵、开关稳压器和 LDO 的优缺点。数据由德州仪器公司提供

Type of Circuit 电路类型	Advantages 好处	Disadvantages 缺点
Charge Pump 充电泵	Low cost 低成本Simple 很简单No inductor 没有电感Smallest PCB area 最小的多氯联苯面积More efficient than LDO (70% +) 比 LDO 更有效率(70% 以上)	Low, moderate loads (< 200 mA) 低、中等负荷(< 200毫安)Electromagnetic Interference (EMI) 电磁干扰电磁干扰(EMI)
Inductor-based Switch-mode Circuits 基于电感的开关模式电路	Most efficient 效率最高Larger loads are possible (250 mA +)更大的负载是可能的(250毫安 +)	Most expensive 最贵的Complex design 复杂的设计Greater PCB area and height 更大的 PCB 面积和高度EMI
Low-dropout (LDO)低辍学率(LDO)	Low cost 低成本Simple 很简单No EMI 没有 EMI	Least efficient (50–60% max) 效率最低(最高50-60%)

与线性稳压器相比，电荷泵也有优势，即它们提供更高的效率，并且能够降低和提高输入电压。
另一方面，电荷泵往往不如开关稳压器有效，并具有高水平的输出纹波和噪声，使其更糟糕的稳压器比线性稳压器。由于这些原因，电荷泵最适合于需要低负载电流和中等输入输出电压差的应用。
电荷泵电路的一些流行应用包括:

偏置电路

逐次逼近 ADC (请参阅本文以获得此应用程序的示例)

可电擦除可编程式只读记忆体(EEPROM)

H-Bridge 高端驱动程序(请参阅 TI 演示文稿以了解此应用程序的基础知识)

在本文中，我们讨论了电荷泵电路的概述，它们是如何工作的，并给出了一个电压倍增电路的例子。与此同时，我们讨论了一个电荷泵稳压器的权衡，并讨论了如何比较它与其他流行类型的电压稳压器。
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杨洋 · 2022-6-16 09:59:11

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杨洋 · 2022-6-16 09:59:49

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