情況很簡單——你有一個低壓電源軌，比如 3.3V，你想為需要 5V 的東西供電。這是一個艱難的決定，尤其是在涉及電池的情況下。唯一明顯的方式是開關模式轉換器，更具體地說是升壓轉換器。

這是我們遇到障礙的地方——升壓轉換器在低功率時效率低下，因為大量能量僅用于保持穩定和驅動電源開關。此外，這種類型的開關模式轉換器噪聲很大——如果您正在處理敏感電路，這是一個問題。您處于過度設計的解決方案的不舒服位置。線性穩壓器不能反向工作，因此排除了設計不足的可能性。

那么我們在哪里劃定過度設計和設計不足之間的界限呢？

這個問題的答案是電荷泵——它本身就是一種開關模式電源。顧名思義，這種轉換器將離散電荷四處移動，而存儲這些離散電荷的元件就是電容器，因此這種轉換器也稱為飛電容轉換器。

電荷泵使用電容器產生輸入電壓的離散倍數。

電荷泵如何工作？

理解這一點的最好方法是想象以下情況。

您使用 9V 電池為電容器充電，因此電容器兩端的電壓也是 9V。然后你拿另一個電容器也充電到 9V。現在將兩個電容器串聯起來，測量它們兩端的電壓——18V。

這是電荷泵的基本工作原理——取兩個電容器，分別為它們充電，然后將它們串聯起來，盡管在真正的電荷泵中，重新排列是通過電子方式完成的。

當然，這不僅限于兩個電容器，可以級聯連續的級以獲得更高的輸出電壓。

電荷泵的局限性

在我們構建一個之前，了解電荷泵的局限性是個好主意。

1. 可用輸出電流——由于電荷泵只不過是循環充電和放電的電容器，因此可用電流非常低——在極少數情況下，使用正確的芯片可以獲得 100mA，但效率很低。

2.你添加的級數越多，并不意味著電壓輸出增加那么多倍——每一級負載前一級的輸出，所以輸出不是輸入的完美倍數。添加的階段越多，這個問題就越嚴重。

構建電荷泵電路

這里顯示的電路是一個簡單的三級電荷泵，它使用了常青555 定時器 IC。從某種意義上說，這個電路是“模塊化的”——級可以級聯以增加輸出電壓（考慮到第二個限制）。

所需組件

1. 對于 555 振蕩器

555 定時器 - 雙極型

10uF電解電容（去耦）

2x 100nF 陶瓷電容（去耦）

100pF陶瓷電容（定時）

1K電阻（定時）

10K電阻（定時）

2. 對于電荷泵

6x IN4148 二極管（也推薦使用 UF4007）

5x 10uF 電解電容

100uF電解電容

需要注意的重要一點是，電荷泵中使用的所有電容器的額定電壓必須比預期的輸出電壓高幾伏。

電路原理圖

這是它在面包板上的樣子：

電荷泵電路說明

1. 555定時器

這里顯示的電路是一個簡單的555 定時器非穩態振蕩器。時序組件產生大約 500kHz 的頻率（對于雙極 555 而言，這本身就是一項壯舉）。這種高頻率可確保電荷泵上的電容器定期“刷新”，從而使輸出電壓不會產生太大的紋波。

2.電荷泵

這是整個電路中最令人生畏的部分。像大多數其他事情一樣，可以通過將其分解為一個單元來理解：

假設 555 定時器的輸出引腳 3 在啟動期間為低電平。這導致電容器通過二極管充電，因為負極端子現在接地。當輸出變高時，負引腳也變高 - 但由于電容器上已經有電荷（由于二極管而不能去任何地方），電容器正極端子上的電壓實際上是輸入電壓的兩倍。

這是電容器的正極：

最終結果是您有效地將 V CC偏移添加到 555 定時器的輸出。

現在這個電壓直接作為輸出是沒有用的，因為有 50% 的巨大紋波。為了解決這個問題，我們添加了一個峰值檢測器，如下圖所示：

這是上述電路的輸出：

我們已經成功地將電壓輸出翻了一番！

電路構造技巧

雙極 555 以其在電源軌上產生的電源尖峰而聞名，因為輸出推挽級在轉換期間幾乎使電源短路。所以脫鉤是強制性的。

我會繞道而行，告訴你一些關于正確解耦的事情。

這是振蕩器的 V CC引腳，沒有任何去耦：

這是具有適當去耦的相同引腳：

您可以清楚地看到一點點脫鉤帶來的差異。

電荷泵級推薦使用低電感陶瓷 SMD 電容器。具有低正向壓降的肖特基二極管也可以提高性能。

使用具有適當輸出級的 CMOS 555（甚至可能是像 TC4420 這樣的柵極驅動器）可以減少（但不能消除）電源尖峰。

電荷泵變化

電荷泵不僅可以提高電壓，還可以用來反轉電壓極性。

該電路的工作方式與倍壓器相同——當 555 輸出變高時，電容充電，當輸出變低時，電荷被反向拉過第二個電容器，在輸出端產生負電壓。

我在哪里使用電荷泵？

在只有單一電壓可用的電路中為運算放大器提供雙極性電源。運算放大器不會消耗太多電流，因此非常適合。這樣做的好處是可以從相同的輸出驅動逆變器和倍頻器，例如，從 5V 電源產生 ±12V 電源。

柵極驅動器——自舉是一種選擇，但電荷泵有可能產生更高的電壓，例如，具有 3.3V 電源的 12V 柵極驅動器。在這種情況下，自舉不會給你超過 7V 的電壓。

因此，電荷泵是簡單而高效的設備，用于創建離散的輸入電壓倍數。