電荷泵分類

　　電荷泵（Charge Pump）是一種特殊的直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器，主要利用電容的充放電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。根據(jù)其功能和應(yīng)用場景的不同，電荷泵可以分為多種類型，以下是幾種常見的分類方式：

　　升壓電荷泵：這種類型的電荷泵通過電容的充放電過程，將輸入電壓提升到更高的電壓水平。例如，一個(gè)簡單的二倍升壓電荷泵可以通過控制開關(guān)和電容的充放電，將輸入電壓加倍輸出。

　　降壓電荷泵：與升壓電荷泵相反，降壓電荷泵通過電容的充放電過程，將輸入電壓降低到更低的電壓水平。這種類型的電荷泵常用于需要低壓大電流的應(yīng)用場景，如手機(jī)的快充電源中。

　　反壓電荷泵：反壓電荷泵能夠?qū)⑤斎氲恼妷恨D(zhuǎn)換成相應(yīng)的負(fù)電壓，或者將輸出電壓轉(zhuǎn)換成近兩倍的輸入電壓。這種類型的電荷泵利用電容的充電、放電實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，常用于需要負(fù)電壓或特殊電壓轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中。

　　倍壓電荷泵：倍壓電荷泵可以通過電容的充放電過程，將輸入電壓倍增輸出。例如，一個(gè)簡單的二倍壓電荷泵可以通過控制開關(guān)和電容的充放電，將輸入電壓加倍輸出。

　　分?jǐn)?shù)倍增或縮放電壓電荷泵：這種類型的電荷泵可以通過快速交替產(chǎn)生任意電壓模式，實(shí)現(xiàn)電壓的分?jǐn)?shù)倍增或縮放。例如，可以實(shí)現(xiàn)×3/2、×4/3、×2/3等電壓轉(zhuǎn)換。

　　鎖相環(huán)（PLL）電荷泵：雖然與上述電荷泵電路不同，PLL電荷泵不涉及泵浦動(dòng)作，但它也是一個(gè)重要的應(yīng)用類型。PLL電荷泵主要用于鎖相環(huán)電路中，作為一個(gè)雙極開關(guān)電流源，可以將正負(fù)電流脈沖輸出到PLL的環(huán)路濾波器中。

　　高側(cè)驅(qū)動(dòng)器中的電荷泵：這種類型的電荷泵常用于H橋電路中，用于驅(qū)動(dòng)高側(cè)n溝道功率MOSFET和IGBT。當(dāng)半橋的中心變低時(shí)，電容器通過二極管充電，此電荷隨后用于將高側(cè)FET的柵極驅(qū)動(dòng)到比源電壓高幾伏的電壓，從而將其導(dǎo)通。

　　用于液晶顯示器（LCD）或白光LED驅(qū)動(dòng)器的電荷泵：這種類型的電荷泵可以從單個(gè)低壓電源（如電池）產(chǎn)生高偏置電壓，用于驅(qū)動(dòng)LCD或白光LED。

　　用于EEPROM和閃存設(shè)備的電荷泵：早期的EEPROM和閃存設(shè)備需要兩個(gè)電源：+5V（用于讀取）和+12V（用于擦除）。現(xiàn)代的EEPROM和閃存存儲(chǔ)器僅需要一個(gè)外部電源，通常為1.8V或3.3V，更高電壓由片上電荷泵在內(nèi)部產(chǎn)生。

　　用于CRT顯示器的電荷泵：CRT顯示器中的垂直偏轉(zhuǎn)電路可能會(huì)使用電荷泵來產(chǎn)生所需的高壓。

　　這些分類展示了電荷泵在不同領(lǐng)域和應(yīng)用場景中的廣泛應(yīng)用。盡管每種類型的電荷泵都有其特定的應(yīng)用和設(shè)計(jì)要求，但它們都基于電容的充放電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。

　　電荷泵工作原理

　　電荷泵（Charge Pump）是一種利用電容充放電原理實(shí)現(xiàn)電壓變換的電子電路。其工作原理主要基于電容兩端電壓不能突變的特性，通過控制開關(guān)的通斷，實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移和電壓的升降。電荷泵電路通常由電容、開關(guān)和振蕩器組成，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可以設(shè)計(jì)成升壓、降壓或電壓反轉(zhuǎn)等不同類型的電路。

　　在電荷泵電路中，電容起到儲(chǔ)能和傳遞能量的作用。以一個(gè)簡單的升壓電荷泵為例，電路包含兩個(gè)開關(guān)（S1和S2）和一個(gè)電容（C1）。當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，輸入電壓Vin對(duì)電容C1充電，電容一端的電壓為Vin，另一端的電壓為0V。此時(shí)，電容儲(chǔ)存了電荷。當(dāng)開關(guān)S1斷開，S2閉合時(shí)，電容C1的電壓不能突變，因此電容的另一端電壓仍然保持為0V，但由于電容的特性，其兩端電壓會(huì)逐漸平衡，從而使電容的另一端電壓上升到Vin。這樣，通過交替控制開關(guān)S1和S2的通斷，電容C1不斷地充放電，最終在電容的另一端得到兩倍于輸入電壓的輸出電壓Vout。

　　電荷泵電路的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡單、無需電感等磁性元件，因此體積小、成本低。同時(shí)，電荷泵電路的工作頻率較高，通?？梢赃_(dá)到數(shù)百kHz甚至更高，這使得其可以在很小的電容值下實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。然而，電荷泵電路也有其局限性，例如輸出電流較小、輸出電壓紋波較高等問題。為了解決這些問題，實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)增加穩(wěn)壓電路或其他調(diào)節(jié)電路，以提高輸出電壓的穩(wěn)定性和減小輸出紋波。

　　總的來說，電荷泵電路通過巧妙地利用電容的充放電特性，實(shí)現(xiàn)了電壓的變換。其簡單的設(shè)計(jì)和高效的能量轉(zhuǎn)換使其在便攜式電子設(shè)備、電源管理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　電荷泵作用

　　電荷泵（Charge Pump）在電子電路中具有多種重要的作用，其應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了電源管理、信號(hào)處理、通信系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。以下是電荷泵在不同領(lǐng)域的典型作用：

　　電源管理：

　　升壓和降壓：電荷泵可以用來升高或降低輸入電壓，以滿足不同電子設(shè)備對(duì)電源的要求。例如，在便攜式設(shè)備中，電池電壓隨著使用時(shí)間的增加會(huì)逐漸下降，電荷泵可以將較低的電池電壓升壓到電路所需的電壓水平，從而延長設(shè)備的使用壽命。

　　負(fù)壓生成：電荷泵可以生成負(fù)電壓，這對(duì)于一些需要負(fù)電壓供電的電路（如運(yùn)算放大器）非常重要。通過簡單的電路配置，電荷泵可以將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓。

　　電壓反轉(zhuǎn)：電荷泵還可以用于電壓反轉(zhuǎn)，即將輸入電壓的極性反轉(zhuǎn)。這種功能在一些特定的電路應(yīng)用中非常有用，例如在某些模擬電路中需要負(fù)電壓供電。

　　信號(hào)處理：

　　電平轉(zhuǎn)換：電荷泵可以用于電平轉(zhuǎn)換，將一種電壓范圍的信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一種電壓范圍的信號(hào)。這對(duì)于接口電路特別重要，例如在RS-232串行通信接口中，電荷泵可以用來生成符合標(biāo)準(zhǔn)的電壓電平。

　　電壓倍增：在一些應(yīng)用中，電荷泵可以用來倍增輸入電壓，以提供更高的電壓供給。例如，在某些高頻電路中，電荷泵可以用來生成高壓以驅(qū)動(dòng)高頻振蕩器。

　　通信系統(tǒng)：

　　鎖相環(huán)（PLL）電路：電荷泵在鎖相環(huán)電路中起著關(guān)鍵作用。PLL電路廣泛應(yīng)用于頻率合成、時(shí)鐘恢復(fù)和同步信號(hào)生成等應(yīng)用中。電荷泵在PLL中用于調(diào)整環(huán)路的相位，從而實(shí)現(xiàn)頻率和相位的鎖定。

　　頻率合成：在無線通信系統(tǒng)中，電荷泵可以用于頻率合成，通過控制電壓來調(diào)整振蕩器的頻率，從而生成所需的射頻信號(hào)。

　　功率電路：

　　浮驅(qū)電源：在一些功率電路中，電荷泵可以用來生成浮驅(qū)電源，為上橋臂的功率器件提供驅(qū)動(dòng)電壓。這種應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、開關(guān)電源等領(lǐng)域非常常見。

　　軟啟動(dòng)：電荷泵可以用于實(shí)現(xiàn)電路的軟啟動(dòng)，防止在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生過大的電流沖擊，從而保護(hù)電路中的元器件。

　　總的來說，電荷泵以其靈活的電壓變換能力和高效的能量轉(zhuǎn)換特性，在電子電路中扮演著不可或缺的角色。無論是電源管理、信號(hào)處理還是通信系統(tǒng)，電荷泵都發(fā)揮著重要作用，提升了系統(tǒng)的性能和可靠性。

　　電荷泵特點(diǎn)

　　電荷泵（Charge Pump）是一種特殊的直流-直流（DC-DC）變換器，其主要特點(diǎn)包括高效性、小巧體積、低靜態(tài)電流和較低的工作電壓。與其他類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，電荷泵利用電容作為開關(guān)和儲(chǔ)能元件，而不是使用電感或變壓器。這種設(shè)計(jì)使得電荷泵在效率、體積和功耗方面具有顯著優(yōu)勢。

　　首先，電荷泵的高效率是其一大特點(diǎn)。由于電荷泵的工作原理是通過電容的充放電來實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，這種過程中的能量損失相對(duì)較小，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率。其次，電荷泵的體積小巧，這是因?yàn)殡娙莸捏w積遠(yuǎn)小于電感或變壓器，使得電荷泵的整體尺寸大大減小，這對(duì)于需要節(jié)省空間的應(yīng)用場景尤為重要。

　　此外，電荷泵的低靜態(tài)電流也是其一大優(yōu)勢。靜態(tài)電流是指在無負(fù)載的情況下，電荷泵自身的電流消耗。由于電荷泵的設(shè)計(jì)減少了不必要的能量損耗，因此其靜態(tài)電流較低，這有助于延長電池供電設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。最低工作電壓更低也是電荷泵的一個(gè)特點(diǎn)，這意味著電荷泵可以在更低的輸入電壓下正常工作，進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

　　電荷泵的這些特點(diǎn)使其在多種應(yīng)用中成為理想的選擇。例如，在需要高效、小體積和低功耗的便攜式電子設(shè)備中，電荷泵被廣泛應(yīng)用于電壓轉(zhuǎn)換和電源管理。此外，電荷泵還常用于倍壓或反壓型DC-DC轉(zhuǎn)換，特別是在需要正負(fù)電源或多種不同電壓供電的場合。

　　總的來說，電荷泵以其高效性、小巧體積、低靜態(tài)電流和較低的工作電壓等特點(diǎn)，成為了電力電子領(lǐng)域中一種重要的DC-DC變換器。這些特點(diǎn)使得電荷泵在各種應(yīng)用中都能提供優(yōu)異的性能，特別是在需要高效、小體積和低功耗的場合。

　　電荷泵應(yīng)用

　　電荷泵作為一種特殊的電源轉(zhuǎn)換電路，近年來在各種電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括但不限于手機(jī)、尋呼機(jī)、藍(lán)牙系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備。電荷泵通過利用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)給兩個(gè)或更多的電容供電或斷電來進(jìn)行DC/DC電壓轉(zhuǎn)換，基本電荷泵開關(guān)網(wǎng)絡(luò)不斷在給電容器供電和斷電這兩個(gè)狀態(tài)之間切換。這種電路能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負(fù)電壓。

　　在具體應(yīng)用中，電荷泵常常被用來驅(qū)動(dòng)白光LED，尤其是在電池供電的手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等領(lǐng)域，為LED背光照明和LED閃光燈提供合適的電源。此外，電荷泵還廣泛應(yīng)用于EEPROM和flash存儲(chǔ)器中，為這些存儲(chǔ)器提供讀寫電源。這些存儲(chǔ)器IC的電源軌一般是1.8V、3.3V，而讀取需要+5V，擦寫需要12V，將電荷泵集成到這些存儲(chǔ)器IC中，就可以實(shí)現(xiàn)單一電源供電。

　　電荷泵的另一個(gè)重要應(yīng)用是在RS-232電平轉(zhuǎn)換器中，用于從單個(gè)5V或3V電源軌導(dǎo)出正電壓和負(fù)電壓（通常為+10V和-10V）。此外，電荷泵還廣泛應(yīng)用于NMOS存儲(chǔ)器和CMOS中，產(chǎn)生負(fù)電壓VBB（約-3V），與襯底相連，以保證所有N+到襯底的結(jié)都反向偏置3V或更多，從而降低結(jié)電容并提高電路速度。

　　盡管電荷泵在許多應(yīng)用中表現(xiàn)出色，但其也有一定的局限性。例如，電荷泵很難實(shí)現(xiàn)大功率、高電壓應(yīng)用，在這些方面，電感式開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器仍然具有優(yōu)勢。此外，電荷泵的輸出電流通常較小，且效率相對(duì)較低，通常只有50%左右。

　　總的來說，電荷泵作為一種高效、小型化的電源轉(zhuǎn)換電路，已經(jīng)在各種電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。盡管其有一定的局限性，但在許多特定的應(yīng)用場景中，電荷泵仍然是首選的電源轉(zhuǎn)換方案。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電荷泵的應(yīng)用領(lǐng)域有望進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　電荷泵如何選型？

　　電荷泵是一種特殊的電路，主要用于將直流電壓轉(zhuǎn)換為更高的直流電壓。在選擇電荷泵時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，包括效率、輸出電流、輸出電壓、紋波和噪聲等。以下是詳細(xì)的電荷泵選型指南：

　　1. 效率優(yōu)先，兼顧尺寸

　　電荷泵的效率是選擇時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。通常，電荷泵可實(shí)現(xiàn)90%的峰值效率。此外，電荷泵的外圍只需要少數(shù)幾個(gè)電容器，而不需要功率電感器、續(xù)流二極管及MOSFET。這不僅降低了自身功耗，還減少了尺寸、BOM材料清單和成本。

　　2. 輸出電流的局限性

　　電荷泵轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的輸出負(fù)載電流一般低于300mA，輸出電壓低于6V。因此，對(duì)于300mA以下的輸出電流和90%左右的轉(zhuǎn)換效率，無電感型電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器可視為一種成本經(jīng)濟(jì)且空間利用率較高的方式。如果要求輸出負(fù)載電流、輸出電壓較大，則應(yīng)使用電感開關(guān)轉(zhuǎn)換器、同步整流等DC/DC轉(zhuǎn)換拓?fù)洹?/span>

　　3. 較低的輸出紋波和噪聲

　　大多數(shù)的電荷泵轉(zhuǎn)換器通過使用一對(duì)集成電荷泵環(huán)路，工作在相位差為180度的情形，最大限度地降低輸出電壓紋波。這樣可以有效避免因在輸出端增加濾波處理而導(dǎo)致的成本增加。而且，與具有相同輸出電流的等效電感開關(guān)轉(zhuǎn)換器相比，電荷泵產(chǎn)生的噪聲更低，這對(duì)于RF或其它低噪聲應(yīng)用尤其具有競爭優(yōu)勢。

　　4. 具體型號(hào)選擇

　　在選擇電荷泵的具體型號(hào)時(shí)，可以參考以下幾種常見的電荷泵型號(hào)：

　　Model A：適用于低輸出電流（小于100mA）的應(yīng)用，峰值效率可達(dá)85%，輸出電壓范圍為3V至5V。

　　Model B：適用于中等輸出電流（100mA至200mA）的應(yīng)用，峰值效率為90%，輸出電壓范圍為3V至6V。

　　Model C：適用于高輸出電流（200mA至300mA）的應(yīng)用，峰值效率為92%，輸出電壓范圍為3V至5V。

　　Model D：適用于需要高輸出電壓（大于6V）的應(yīng)用，峰值效率為88%，輸出電流范圍為50mA至150mA。

　　5. 經(jīng)濟(jì)性和可靠性

　　在選擇電荷泵時(shí)，還需要考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性。電荷泵的成本包括其本身的價(jià)格、維護(hù)成本和能耗?？煽啃詣t包括電荷泵的壽命、維護(hù)周期和故障率。一般來說，效率越高、輸出電流越大的電荷泵，其成本也越高。因此，在選擇時(shí)需要根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行權(quán)衡。

　　6. 工作條件

　　電荷泵的工作條件也是選擇時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素。不同的電荷泵型號(hào)對(duì)工作溫度、輸入電壓范圍、輸出電壓范圍等有不同的要求。例如，某些電荷泵可能在高溫環(huán)境下性能會(huì)下降，而某些電荷泵則可能在低溫環(huán)境下無法正常工作。因此，在選擇電荷泵時(shí)，需要確保其工作條件符合應(yīng)用環(huán)境的要求。

　　結(jié)論

　　在選擇電荷泵時(shí)，需要綜合考慮效率、輸出電流、輸出電壓、紋波和噪聲、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等因素。根據(jù)具體應(yīng)用需求，選擇最適合的電荷泵型號(hào)，可以提高系統(tǒng)的整體性能，降低維護(hù)成本和故障率。希望本文的選型指南能夠?yàn)槟峁┯袃r(jià)值的參考。