电荷泵：一种经常被忽视的 DCDC 转换方法

如果电子设计中的所有设备都使用相同的电源电压运行，会不会容易得多？不幸的是，并非所有功能都具有相同的电源电压要求，因此需要在给定的设备设计中生成多个电源轨。您可能需要多个电源电压，即使对于像高性能数据转换器这样的 IC 也是如此。

如果电压轨不需要特别高效、需要低负载电流或只需最低成本，那么简单的低压差稳压器 ( LDO ) 通常是最佳方法。

如果电压轨需要非常高的负载电流（例如，大于几百毫安），或者需要低输出纹波，请考虑使用高效的电感解决方案。

但对于需要相对较低的负载电流和高于 LDO 的效率以及成本/尺寸限制的解决方案，电荷泵 DC/DC 器件值得考虑。

图 1：电荷泵 (12mm 2 ) 与电感解决方案 (29mm 2 ) 的示例： 150mA 时V IN = 3.0V 至 4.5V 和 V OUT = 5V

电荷泵电压反转器是一种DC/DC变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即VOUT= -VIN。另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即VOUT≈2VIN。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（Charge Pump Converter）。

电荷泵的应用

电荷泵转换器常用于倍压或反压型DC-DC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。

电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。

虽然有一些DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广泛的应用。

目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能工作。例如，D/A 变换器电路、A/D 变换器电路、V/F或F/V 变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自INTERSIL公司开发出ICL7660电压反转器IC后，用它来获得负电源十分简单，90 年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用。现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流，效率达到75%(平均值)。

电荷泵 DC/DC 器件使您能够从给定的输入电压生成不同的输出电压（升压/降压/反相）。这些器件只需要一个飞跨电容来支持电荷泵本身，并为输入和输出电压引脚提供去耦电容。上面的图 1 突出显示了一个示例，其中需要 5V Vout 和 150mA 负载的应用在电荷泵升压和电感升压之间进行比较——解决方案尺寸节省超过 30%。

表 1 总结了不同的电压转换方法。

表 1：DCDC 转换器方法之间的设计标准比较 

如果您需要为系统中的特定低负载设备提供单个特殊电压轨，则电荷泵解决方案会很有用。在这样的系统中，考虑到更高的负载要求，电感式 DC/DC 通常支持整个系统轨。开关电容 DC/DC 产生特定的轻负载轨——无论是升压、降压还是来自主系统轨的反相电压——并且在小型解决方案中仅使用电容器即可实现合理的效率尺寸和非常具有成本效益。