通過了解電荷泵電路、它們是什么、它們如何工作、它們的優缺點以及它們的應用，進一步深入了解開關電容器電路。

什么是電荷泵電路？

電荷泵電路或電荷泵穩壓器是一種 DC-DC 轉換器，它利用開關電容技術來增加或降低輸入電壓電平。

如圖 1 所示，這些電路塊通常僅由電容器和開關（即時鐘控制的場效應晶體管或 FET）組成，并且通過仔細定時和控制這些開關來利用電容器的電荷轉移特性來工作。

圖 1.簡單電荷泵電路原理圖。圖片由德州儀器提供

通過交替充電和放電電容器，電荷泵可以將輸入電壓轉換為穩定的輸出電壓。

從較低級別的角度來看，電荷泵電路利用了電容器的固有行為及其無法瞬時改變狀態的能力。正如電容器 IV 方程所定義的，為了使電容器瞬時改變其電壓，它需要無限量的電流。

由于這在物理上是不可能的，我們看到電容器不能突然改變其端子上的電壓。電荷泵利用這種行為，通過使用精心定時的開關來控制電容器兩端的電壓。

電荷泵倍壓器電路示例

為了更好地理解電荷泵的工作原理，我們現在來看一個基本示例：電壓倍增器電路。

如圖 2 所示，我們的倍壓器電路由一個由四個周圍開關控制的單個電容器組成。

圖 2.倍壓器電路原理圖

該電路的操作分為兩個階段：增益階段和公共階段。在增益階段，SW1 和 SW2 閉合，而 SW3 和 SW4 斷開。如圖3所示，在這個階段，C1的正負端分別連接到Vin和GND。

圖 3. 在增益階段，電容器充電至 Vin

因此，電容器被充電，直到其端子上的電壓等于 Vin。現在 C1 充電至 Vin，我們切換到圖 4 所示的公共相位。

圖 4. 在共相中，電容器通過將其正極端子提升至 2*Vin 來維持其兩端的電壓

在共相中，SW1 和 SW2 斷開，SW3 和 SW4 閉合。這里，C1 的負端連接到 Vin，而正端連接到 Vout。

如前所述，電容器兩端的電壓不能立即改變。因此，電容器將嘗試在其自身上保持等效的 Vin 電壓。為了在其自身上保持此 Vin，電容器迫使 Vout 處的電壓等于 2*Vin，使電容器兩端的等效電壓等于 Vin。

輸出電壓以地為參考，電壓倍增器電路有效地接受輸入 Vin 并產生 2*Vin 的輸出電壓。

電荷泵電路中的非理想行為

值得注意的是，到目前為止，我們的討論都假設了理想電容器和理想開關，這兩者在實際應用中都不現實。

電荷泵電路中非理想行為的一些來源包括：

時鐘饋通

MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）開關損耗

電容器等效串聯電阻 （ESR）

當前不匹配

電荷泄漏

費用共享

這些非理想情況中的每一個都可能導致電荷泵電路的效率降低，并且行為與我們迄今為止的方程式和示例所建模的行為略有不同。

電荷泵穩壓器：優點、缺點、應用

與開關穩壓器相比，電荷泵穩壓器的主要優點之一是由于不需要使用電感器，其尺寸顯著減小。

電感器因在集成電路上需要大量硅面積而臭名昭著，因為它們的性能非常依賴于幾何形狀：電感值與匝數直接相關，而更多的匝數需要更多的面積。另一方面，電荷泵不需要使用電感器，因此比開關轉換器小得多。

下面的表 1 顯示了電荷泵、基于電感的開關模式穩壓器和低壓差 （LDO） 電路之間的一些主要優缺點。

表 1.比較電荷泵、開關穩壓器和 LDO 的優缺點。

與線性穩壓器相比，電荷泵還具有優勢，即它們提供更高的效率，并且可以對輸入電壓進行降壓和升壓。

另一方面，電荷泵的效率往往低于開關穩壓器，并且具有高水平的輸出紋波和噪聲，使其成為比線性穩壓器更差的穩壓器。由于這些原因，電荷泵最適合需要低負載電流和中等輸入輸出電壓差的應用。

電荷泵電路的一些流行應用包括：

偏置電路

逐次逼近 ADC

電可擦可編程只讀存儲器 （ EEPROM ）

H橋高邊驅動器

磁阻隨機存取存儲器 （MRAM）

鎖相環

在本文中，我們討論了電荷泵電路的概述、它們的工作原理，并展示了一個倍壓器電路示例。除此之外，我們還討論了電荷泵穩壓器的權衡，并討論了它與其他流行類型的穩壓器的比較。