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1863_电荷泵的基本原理

一直以来以为这个电荷泵的实现很复杂，没想到如此简单。这一次借助于资料以及仿真手段来看看这个电荷泵的基本原理。

主题由来介绍

在看一个集成IC的时候看到了一个电荷泵的模块，之前又听到过很多次电荷泵。但是，听说的时候全都是硬件工程师描述的眉飞色舞，而我完全不懂。正好乘此机会，了解一下这个原理。

资料整理过程说明

网络参考资料： Charge Pump: Construction, Working, Types & Its Applications

仿真工具： KiCAD

要点细节分析

• 电荷泵本质上还是一种开关电源。
• 使用一个电容产生离散的电压倍率。
• 很多时候电压转换我们会考虑boost生涯电路，但是有缺点： 1，效率低； 2，消耗一些功率； 3，无法反向工作。
• 基于 boost 的一些缺点，可以采用电荷泵。

什么是电荷泵？

• 一种DCDC转换器
• 可以产生较高效率的输出
• 支持高频运行
• 也叫做飞行电容转换器

特点：

• 不需要电感
• 辐射低
• 结构简单

基本原理：

• 电容充电后，两端会有电压形成
• 对多个充电的电容进行串联，就可以产生高电压

• 实现这样的电路，可能会用到555定时器。

• 在这样的电路中，555定时器提供的是一个PWM信号。

• 这是一个电荷泵的简单电路。
• 如果PWM输入是低电平，那么输出电压为VCC。
• 如果PWM输出电压是高电平，也就是VCC，那么电容的正端电压会被抬升VCC，由此，输出为2倍的VCC。

以上是电路的输入输出仿真结果，从上面可以看出来，虽然成功实现了升压，但是只有50%的时间片有效。

思考

看这部分电路的时候，开始顺着介绍很容易理解过去了。但是后来想，如果只是为了让电容的负端电压被抬升，那么为什么不直接接VCC更简单？也不会有所谓的波动了？

其实这个说起来也非常简单，我们看到的两个电压叠加，其中的一个电压其实是电容充电后由电荷产生的。因此，如果电容直接不充电的话，这种效果是没有的。如果直接接VCC，电容显然是不充电了。而PWM的效果其实是不断让电容充电，输送电荷。或许，这个也是电荷泵名字的由来。

• 这是上面电路的改进，就是为了让前面设计中50%的纹波处理掉。
• 不过，很遗憾的是其实这个电路应该是一个错误的设计。为什么呢？PWM直接接到地，那么这里的电荷泵送很显然就没了效果。

因此，改进的电路设计应该是这样子。第一个电容作为一个电荷泵送的部分。第二个其实是保证了一个稳定的输出，而右侧的二极管则保证了电压不会跌落。

• 这是部分时间的仿真结果。从结果看，实现了升压效果的，但是最终还是没有达到2倍的电压。
• 为什么没有达到2倍的效果呢？这里主要是二极管的压降其实是不可忽略的，因此会有了这样的偏差。

• 这是上面电路的一个变形，实现的负压输出效果。
• GND的电势不会变，而电容上面的电压会更低，因此输出会是负压。

以上是关于电荷泵的一些优缺点，其中，优点：

• 成本低
• 空间小
• 可压缩
• 可以输出负压
• 可以升压

缺点：

• 电流低
• 输出电压大小与级数相关，电路可能会复杂
• 效率取决于输出电压（没有理解的一点）

电荷泵应用：

• 它们用于RS-232电平移位器，从5V或3V电源轨驱动正电压（+10V）和负电压（-10V）。
• 应用于LCD或白色LED驱动器，通过单个低电压电源产生高偏置电压
• 用于NMOS存储器和微处理器的负电压VBB
• 用于高速驱动器中的H桥
• 倍压器
• 运算放大器
• PLL锁相环电路

小结

经过这一部分的整理结合仿真，这一次的学习收获感觉格外好一些。看起来，学习也应该注意方法，可以尝试多维度的探索，不见得会有更多的时间消耗，可能会有意外的催化剂效果。