电荷泵如何实现增加或反转DC电压的技术
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电荷泵是一种增加或反转DC电压的技术。例如，+5V可以转换为+10V或-5V(或更高/更低的值)。与…相比升压转换器电荷泵需要更少的元件和更少的PCB空间，并且更便宜;然而，电荷泵的局限性在于它们只能提供相对少量的电流。由于低电流限制，电荷泵最适合信号(通信)或驱动LCD背光等应用。历史上，一个常见的应用是产生+3V至+15V和-3V至-15V的RS232通信收发器(如MAX232)。
理论
电荷泵的工作原理非常简单。关于电，我们学到的第一件事是，如果我们将电池串联，那么它们的电压就会相加。
另一个电学基础是电容器就像小电池。
如果我们可以用一个电压源给一个电容器充电，然后迅速将其与电压源串联重新定位，那么我们就可以使电压加倍(与串联添加电池增加其电压的方式相同)。在电路中，重新定位可以通过开关来完成——机械开关(物理开关或电磁继电器)或固态开关(晶体管/二极管)。
就产生负电压而言，这只是重新定位电容器的情况，使得其正充电端子连接到电压源的负端子。
该原理也可以被缩放，因为任意数量的电容器可以在电压源处被并联充电，然后被重新放置在堆叠中。
电荷泵原理图
在原理图上，上述配置可以按如下方式完成：
(截图是在切换的瞬间后稍微捕捉到的，此时电容已经稍微放电了。)
电压反转看起来如下：
当然，如果有任何负载，则电容器将立即开始放电，因此有必要在并联和串联配置之间不断地来回切换电容器，以便保持对其再充电。
为了在开关时保持输出电压相对恒定，我们可以在输出端增加一个电容。
这在一定程度上平滑了输出。
然而，让某人来回拨动开关来运行电荷泵显然是不实际的，并且为了用合理尺寸的电容器保持相对稳定的输出电压，需要非常快速的开关;因此需要快速时钟信号来运行切换。
时钟电荷泵
在上述电路中，MC34063降压转换器用于将25V降压至5V。开关晶体管集成在控制器内部，因此不需要外部晶体管。控制器使用反馈电阻R2/R3监控输出电压，并在负载上保持恒定的输出电压。
给定一个时钟信号，我们可以将该信号连接到电容的负极，并通过二极管将电容的正极连接到正电压源。
当时钟信号为低电平(0V)时，电容器将通过二极管充电至正电源电压(减去二极管上的电压降)。
当时钟信号为高电平(电源电压，本例中为+1.5V)时，存储在充电电容中的电压将被添加到其负引脚的电压之上，从而产生双倍的输出电压。
(二极管防止电容器放电至电源电压。)
结果是时钟电压加倍。
为了平滑输出电压，我们可以在输出端增加另一个电容和一个二极管，以防止它在时钟周期的低相位反向放电。
我们现在有一个非常平滑的输出电压。
由于二极管上的压降(1.5V对于电源电压来说非常低，二极管上的压降相对较大，对于5V/9V/等电源电压来说相对较小)以及现实世界电子元件的非理想特性(如内阻)，平滑后的输出电压并不是输入电压的两倍，但它会大幅提升至电源电压以上，我们可以通过调整原理和增加更多泵级来进一步提升。
迪克森电荷泵
增加额外的泵级需要反相时钟。使用简单的N-MOSFET和上拉电阻可以实现时钟反转：
然而，这仅适用于较高的电源电压，因为典型N-MOSFET的栅极阈值电压约为2.1V，所以此时我们将切换到+5V电源。
我们将反相时钟连接到第2级电容的负极：
让我们分析一下这是如何工作的(为了简单起见，忽略二极管/晶体管上的压降)。
最初，时钟为低电平，第1级电容充电至电源电压(+5V)。第2级电容还没有充电，因为它的正负引脚上都有电源电压。
接下来，时钟变为高电平，第二级充电至+10V，与之前一样。
现在，时钟再次变低，导致反相时钟变高，并将现在充电的第2级电容升压至电源电压的3倍(+15V)。
同样，由于二极管和非理想真实元件上的压降，输出电压不完全是+15V，但肯定是电源电压的两倍以上。
这个过程可以被链接和缩放，以产生任意高的输出电压
这种类型的电荷泵拓扑被称为Dickson电荷泵。
马克思发生器
另一个有趣的设计是马克思发生器：
在这个设计中，火花隙被用作开关。火花隙是相隔一定距离放置的导体，一旦它们之间的电压高于绝缘体击穿电压(空气中约为30kV/cm)，就会导致导电。一旦所有并联电容器被充电，通过触发第一火花隙，火花隙上的连锁反应被启动。使用这种技术，可以产生几十万伏的电压。
将我们的思维转回普通的电子学，值得一提的是，有一些方便的集成电路(IC)可以简化在设计中添加电荷泵的过程——只需要一个电源电压和两个电容——例如工业标准TC7660。
还提供更先进的电荷泵IC，通过仔细控制驱动电荷泵的时钟，同时仔细监控输出电压，这些IC可以输出相对精确的调节电压。
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