電荷泵工作原理電荷泵電壓反轉器是一種DC/DC變換器，它將輸入的正電壓轉換成對應的負電壓，即VOUT=-VIN。此外，它也可以把輸出電壓轉換成近兩倍的輸入電壓，即VOUT≈2VIN。由于它是運用電容的充電、放電實現電荷轉移的原理構成，因此這種電壓反轉器電路也稱為電荷泵變換器（ChargePumpConverter）。電荷泵的應用電荷泵轉換器常用于倍壓或反壓型DC-DC轉換。電荷泵電路采用電容作為儲能和傳遞能量的中介，伴隨半導體工藝的進步，新型電荷泵電路的開關頻率可達1MHz。電荷泵有倍壓型和反壓型兩種基本電路形式。電荷泵電路重要用于電壓反轉器，即輸入正電壓，輸出為負電壓，電子產品中，往往需要正負電源或幾種不一樣電壓供電，對電池供電的便攜式產品來說，增長電池數量，必然影響產品的體積及重量。采用電壓反轉式電路可以在便攜式產品中省去一組電池。由于工作頻率采用2～3MHz，因此電容容量較小，可采用多層陶瓷電容（損耗小、ESR低），不僅提高效率及減少噪聲，并且減小電源的空間。雖然有某些DC/DC變換器除可以構成升壓、降壓電路外也可以構成電壓反轉電路，但電荷泵電壓反轉器僅需外接兩個電容，電路最簡樸，尺寸小，并且轉換效率高、耗電少，因此它獲得了極其廣泛的應用。目前不少集成電路采用單電源工作，簡化了電源，但仍有不少電路需要正負電源才能工作。例如，D/A變換器電路、A/D變換器電路、V/F或F/V變換電路、運算放大器電路、電壓比較器電路等等。自INTERSIL企業開發出ICL7660電壓反轉器IC后，用它來獲得負電源十分簡樸，90年代后又開發出帶穩壓的電壓反轉電路，使負電源性能更為完善。對采用電池供電的便攜式電子產品來說，采用電荷泵變換器來獲得負電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數量、減少產品的體積、重量，并且在減少能耗（延長電池壽命）方面起到極大的作用。目前的電荷泵可以輸出高達250mA的電流，效率到達75%(平均值)。電荷泵大多應用在需要電池的系統，如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統和便攜式電子設備。便攜式電子產品發展神速，對電荷泵變換器提出不一樣的規定，各半導體器件企業為滿足不一樣的規定開發出一系列新產品，本文將作一種概況簡介。電荷泵的分類電荷泵分類電荷泵可分為：開關式調整器升壓泵，如圖1(a)所示。無調整電容式電荷泵，如圖1(b)所示?？烧{整電容式電荷泵，如圖1(c)所示。

圖1電荷泵的種類電荷泵工作過程3種電荷泵的工作過程均為：首先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。開關式調整器升壓泵采用電感器來貯存能量，而電容式電荷泵采用電容器來貯存能量。電荷泵的構造電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現電壓提高，采用電容器來貯存能量。電荷泵是不必電感的，但需要外部電容器。由于工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容(1mF)，使空間占用小，使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供±2倍的輸出電壓。其損耗重要來自電容器的ESR(等效串聯電阻)和內部開關晶體管的RDS(ON)。電荷泵轉換器不使用電感，因此其輻射EMI可以忽視。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它的輸出電壓是工廠生產精密預置的,調整能力是通過后端片上線性調整器實現的，因此電荷泵在設計時可按需要增長電荷泵的開關級數，以便為后端調整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分合用于便攜式應用產品的設計。從電容式電荷泵內部構造來看,如圖2所示它實際上是一種片上系統。圖2電容式電荷泵內部構造電荷泵工作原理電荷泵變換器的基本工作原理如圖3所示。它由振蕩器、反相器及四個模擬開關構成，外接兩個電容C1、C2構成電荷泵電壓反轉電路。圖3電荷泵變換器的基本工作原理振蕩器輸出的脈沖直接控制模擬開關S1及S2；此脈沖經反相器反相后控制S3及S4。當S1、S2閉合時，S3、S4斷開；S3、S4閉合時，S1、S2斷開。當S1、S2閉合、S3、S4斷開時，輸入的正電壓V+向C1充電（上正下負），C1上的電壓為V+；當S3、S4閉合、S1、S2斷開時，C1向C2放電（上正下負），C2上充的電壓為-VIN，即VOUT=-VIN。當振蕩器以較高的頻率不停控制S1、S2及S3、S4的閉合及斷開時，輸出端可輸出變換后的負電壓（電壓轉換率可達99%左右）。由圖3可知，電荷泵電壓反轉器并不穩壓，即有負載電流時，輸出電壓將有變化。輸出電流與輸出電壓的變化曲線（輸出特性）稱為輸出特性曲線，其特點是輸出電流越大，輸出電壓變化越大。一般以輸出電阻Ro來表達輸出電流與輸出電壓的關系。若輸出電流從零增長到Io時，輸出電壓變化為△V，則輸出電阻Ro為：Ro=△V/Io

輸出電阻Ro越小，輸出電壓變化越小，輸出特性越好。怎樣選擇電荷泵1、效率優先，兼顧尺寸假如需要兼顧效率和占用的PCB面積大小時，可考慮選用電荷泵。例如電池供電的應用中，效率的提高將直接轉變為工作時間的有效延長。一般電荷泵可實現90%的峰值效率，更重要的是外圍只需少數幾種電容器，而不需要功率電感器、續流二極管及MOSFET。這一點對于減少自身功耗，減少尺寸、BOM材料清單和成本等至關重要。2、輸出電流的局限性電荷泵轉換器所能到達的輸出負載電流一般低于300mA，輸出電壓低于6V。多用于體積受限、效率規定較高，且具有低成本的場所。換言之，對于300mA如下的輸出電流和90%左右的轉換效率，無電感型電荷泵DC/DC轉換器可視為一種成本經濟且空間運用率較高的方式。然而，假如規定輸出負載電流、輸出電壓較大，那么應使用電感開關轉換器，同步整流等DC/DC轉換拓撲。3、較低的輸出紋波和噪聲大多數的電荷泵轉換器通過使用一對集成電荷泵環路，工作在相位差為180度的情形，這樣的好處是最大程度地減少輸出電壓紋波，從而有效防止因在輸出端增長濾波處理而導致的成本增長。并且，與具有相似輸出電流的等效電感開關轉換器相比，電荷泵產生的噪聲更低些。對于RF或其他低噪聲應用，這一點使其無疑更具競爭優勢。電荷泵選用要點作為一種設計工程師選用電荷泵時必然會考慮如下幾種要素：轉換效率要高無調整電容式電荷泵90%可調整電容式電荷泵85%開關式調整器83%靜態電流要小，可以更省電；輸入電壓要低，盡量運用電池的潛能；噪音要小，對手機的整體電路無干擾；功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機設計更小巧；足夠的輸出調整能力，電荷泵不會因工作在滿負荷狀態而發燙；封裝尺寸小是手持產品的普遍規定；安裝成本低，包括周圍電路占PCB板面積小，走線少而簡樸；具有關閉控制端，可在長時間待機狀態下關閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。新型電荷泵變換器的特點80年代末90年代初各半導體器件廠生產的電荷泵變換器是以ICL7660為基礎開發出某些改善型產品，如MAXIM企業的MAX1044、Telcom企業的TC1044S、TC7660和LTC企業的LTC1044/7660等。這些改善型器件功能與ICL7660相似，性能上有改善，管腳排列與ICL7660完全相似，可以互換。這一類器件的缺陷是：輸出電流?。惠敵鲭娮璐?；振蕩器工作頻率低，使外接電容容量大；靜態電流大。90年代后來，伴隨半導體工藝技術的進步與便攜式電子產品的迅猛發展，各半導體器件企業開發出多種新型電荷泵變換器，它們在器件封裝、功能和性能方面均有較大改善，并開發出某些專用的電荷泵變換器。它們的特點可歸納為：提高輸出電流及減少輸出電阻初期產品ICL7660在輸出40mA時，使-5V輸出電壓降為-3V（相差2V），而新型MAX660輸出電流可達100mA，其輸出電阻Ro僅為6.5Ω，MAX660在輸出40mA時，-5V輸出電壓為-4.74V（相差僅0.26V），即輸出特性有較大的提高。MAX682的輸出電流可達250mA，并且在器件內部增長了穩壓電路，雖然在250mA輸出時，其輸出電壓變化也甚小。這種帶穩壓的產品尚有AD企業的ADM8660、LT企業的LT1054等。減小功耗為了延長電池的壽命或兩次充電之間的間隔，要盡量減小器件的靜態電流。近年來，開發出某些微功耗的新產品。ICL7660的靜態電流經典值為170μA，新產品TCM828的靜態電流經典值為50μA，MAX1673的靜態電流經典值僅為35μA。此外，為更深入減小電路的功耗，已開發出能關閉負電源的功能，使器件耗電降到1μA如下，此外關閉負電源后使部分電路不工作而深入到達減少功耗的目的。例如，MAX662A、AIC1841兩器件均有關閉功能，在關閉狀態時耗電<1μA，幾乎可忽視不計。這一類器件尚有TC1121、TC1219、ADM660及ADM8828等。擴大輸入電壓范圍ICL7660電荷泵電路的輸入電壓范圍為1.5～10V，為了滿足部分電路對更高負壓的需要，已開發出輸入電壓可達18及20V的新產品，即可轉換成-18或-20V的負電壓。例如，TC962、TC7662A的輸出電壓范圍為3～18V，ICL7662、Si7661的輸入電壓可達20V。減少占印板的面積減少電荷泵變換器占印板面積有兩種措施：采用貼片或小尺寸封裝IC，新產品采用SO封裝、μMAX封裝及開發出尺寸更小的SOT-23封裝；另一方面是減小外接電容的容量。輸出電流一定期，電荷泵變換器的外接電容的容量與振蕩器工作頻率有關：工作頻率越高，電容容量越小。工作頻率在幾kHz到幾十kHz時，往往需要外接10μF的泵電容；新型器件工作頻率已提高到幾百kHz，個別的甚至到1MHz，其外接泵電容容量可降到1～0.22μF。ICL7660工作頻率為10kHz，外接10μF電容；新型TC7660H的工作頻率提高到120kHz，其外接泵電容已降為1μF。MAX1680/1681的工作頻率高達1MHz，在輸出電流為125mA時，外接泵電容僅為1μF。TC1142工作頻率200kHz，輸出電流20mA時，外接泵電容僅為0.47μF。MAX881R工作頻率100kHz，輸出電流較小，其外接泵電容僅為0.22μF。若采用SOT-23封裝的器件及貼片式電容，則整個電荷泵變換器的面積可做得很小。輸出負電壓可設定（調整）一般的電荷泵變換器的輸出負電壓VOUT=-VIN，是不可調整的，但新型產品MAX1673可外接兩個電阻R1、R2來設定輸出負電壓。輸出電壓VOUT與R1、R2的關系為：

VOUT=-(R2/R1)VREF式中VREF為外接的基準電壓。MAX881R、ADP3603～ADP3605、AIC1840/1841等均有這種功能。兩種新型的四倍壓器件MAX662A是一種輸入5V電壓輸出12V帶穩壓的電荷泵變換器，輸出電流可達30mA，它用于閃速存儲器編程電源（FlashMemoryProgrammingSupp