芯耀
1.2万
什么是电荷泵(charge pump)？
电荷泵(charge pump)，也称为 开关电容式电压变换器，是一种利用“快速”（flying）或“泵送”电容（非电感或变压器）来储能的DC-DC变换器。 电荷泵能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。 其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电或放电，从而使输入电压以一定因数（比如1/2，2或3）倍增或降低，最终得到所需要的输出电压。
电荷泵的基本原理
电荷泵的基本原理是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。我们形象地把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒进一个大水箱。电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容，而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器（直流变换器）。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(1/2,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。
电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。开关 S1 和 S2 关闭，S3 和 S4 打开，电容 C1 连接到输入电压上开始充电，最终充电到输入电压大小。此时电容 C1 就像是一个被装满水的桶，“水” 代表着电荷，电压就相当于桶里水的高度：
到了第二阶段，开关 S3 和 S4 关闭，S1 和 S2 打开，这时电容 C1 与输入电压断开，但是由于电容两端电压不能立即改变，它还保持着原来充电到的输入电压大小。同时，电容 C1 连接到了输出端，它开始向输出端 “倒水”，也就是释放电荷。
因为之前电容 C1 已经被充电到输入电压，现在它把这些电荷释放到输出端，就相当于在原来输入电压的基础上又叠加了一个输入电压的电荷，所以输出电压就变成了输入电压的两倍。就好像原本有一个装满水的桶，把里面的水倒进另一个已经有同样高度水的大水箱里，那么大水箱里水的高度就变成了原来的两倍，这就是为什么电荷泵在这种工作模式下输出电压会变为输入电压两倍的原因。
电荷泵的作用：
电压转换
升压：能将较低的输入直流电压转换为较高的输出直流电压。例如，在一些手持设备中，电池电压可能较低，但某些芯片或电路需要更高的电压来工作，电荷泵就可以将电池电压升高到所需的水平。
降压：也可以实现将较高的输入电压转换为较低的输出电压，不过这种降压方式与传统的线性降压或开关降压有所不同，电荷泵通过特定的电容充电和放电模式来实现降压功能。
反相：可以将输入电压的极性反转，即输出与输入电压大小相等但极性相反的电压。在一些需要正负电源的电路中，电荷泵可用于产生负电压。
提高电源效率：在某些情况下，尤其是对于小电流、低电压的应用，电荷泵的转换效率较高。它通过电容存储和转移电荷的方式来实现电压转换，相较于一些线性稳压器，能减少功率损耗，提高电池等电源的使用效率，延长设备的续航时间。
电源轨转换：在复杂的集成电路中，不同的模块可能需要不同的电源电压。电荷泵可以将一个电源轨的电压转换为适合其他模块工作的不同电压，实现多个模块在同一芯片上的协同工作，优化整个系统的电源管理。
为电容性负载提供电荷：电荷泵能够为电容性负载快速提供所需的电荷，例如驱动液晶显示器（LCD）的背光电路。LCD 的背光通常需要较高的电压来驱动，电荷泵可以将系统电源电压转换为适合背光驱动的高电压，并提供足够的电流来点亮背光灯。
驱动功率器件：在一些功率电子电路中，电荷泵可用于驱动功率晶体管等器件。通过提供适当的栅极驱动电压，使功率器件能够正常导通和关断，从而控制功率的传输和转换。
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