电荷泵如何工作? 电荷泵负压电路的应用场景

电荷泵(charge pump)是一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，多半用来产生比输入电压大的输出电压，或是产生负的输出电压。电荷泵电路的电效率很高，约为90-95%，而电路也相当的简单。电荷泵利用一些开关元件来控制连接到电容器的电压。例如，可以配合二阶段的循环，用较低的输入电压产生较高的脉冲电压输出。在循环的第一阶段，电容器连接到电源端，因此充电到和电源相同的电压，在第一阶段会调整电路组态，使电容和电源电压串联。若不考虑漏电流的效应，也假设没有负载，其输出电压会是输入电压的两倍(原始的电源电压加上电容器两端的电压)。较高输出电压的脉冲特性可以用输出的滤波电容器来滤波。

‌电荷泵电路是一种利用开关电容技术实现电压转换的电路，主要通过交替充电和放电电容器来实现电压的倍增或变换。‌ 具体来说，电荷泵电路通过精心定时的开关操作来控制电容器的充放电过程，从而将输入电压转换为所需的输出电压。这种电路通常由电容器和开关(如场效应晶体管)组成，利用电容器的电荷转移特性来工作。‌1工作原理

电荷泵电路的工作原理基于电容器的电压不能瞬时改变的特性。当开关打开时，电容器通过外部电源充电;当开关关闭时，电容器通过内部电路放电，将存储的电荷转移到负载上。通过不断循环这个过程，电荷泵可以实现电压的倍增或变换。

电荷泵如何工作?

理解这一点的最好方法是想象以下情况。

您使用 9V 电池为电容器充电，因此电容器两端的电压也是 9V。然后你拿另一个电容器也充电到 9V。现在将两个电容器串联起来，测量它们两端的电压——18V。

这是电荷泵的基本工作原理——取两个电容器，分别为它们充电，然后将它们串联起来，尽管在真正的电荷泵中，重新排列是通过电子方式完成的。

当然，这不仅限于两个电容器，可以级联连续的级以获得更高的输出电压。

电荷泵的局限性

在我们构建一个之前，了解电荷泵的局限性是个好主意。

1. 可用输出电流——由于电荷泵只不过是循环充电和放电的电容器，因此可用电流非常低——在极少数情况下，使用正确的芯片可以获得 100mA，但效率很低。

2.你添加的级数越多，并不意味着电压输出增加那么多倍——每一级负载前一级的输出，所以输出不是输入的完美倍数。添加的阶段越多，这个问题就越严重。

构建电荷泵电路

这里显示的电路是一个简单的三级电荷泵，它使用了常青555 定时器 IC。从某种意义上说，这个电路是“模块化的”——级可以级联以增加输出电压(考虑到第二个限制)。

所需组件

1. 对于 555 振荡器

555 定时器 - 双极型

10uF电解电容(去耦)

2x 100nF 陶瓷电容(去耦)

100pF陶瓷电容(定时)

1K电阻(定时)

10K电阻(定时)

2. 对于电荷泵

6x IN4148 二极管(也推荐使用 UF4007)

5x 10uF 电解电容

100uF电解电容

需要注意的重要一点是，电荷泵中使用的所有电容器的额定电压必须比预期的输出电压高几伏。

电路原理图

这是它在面包板上的样子：

电荷泵电路说明

1. 555定时器

这里显示的电路是一个简单的555 定时器非稳态振荡器。时序组件产生大约 500kHz 的频率(对于双极 555 而言，这本身就是一项壮举)。这种高频率可确保电荷泵上的电容器定期“刷新”，从而使输出电压不会产生太大的纹波。

应用场景

电荷泵电路在许多领域有广泛应用，包括：

‌集成电路‌：为芯片内部提供所需的高压电源。

‌模拟电路‌：用于放大器、滤波器等模块的高压供电。

‌无线通信‌：在射频模块、天线驱动器等系统中提供高功率、高压电源。

‌传感器和执行器‌：提供所需的高电压驱动信号。

‌医疗设备‌：如心脏起搏器、医学成像系统等，用于提供稳定的高压电源。

‌航空航天‌：在卫星、飞机等设备中提供稳定的高电压输出。

‌汽车电子‌：满足车载传感器、马达驱动器等设备对高电压信号的需求。

‌能源管理‌：在太阳能电池板、风力发电机等系统中应用。

优缺点

电荷泵电路的主要优点包括：

‌尺寸小‌：不需要使用电感器，因此比开关模式稳压器小得多。

‌高效率‌：相对于线性稳压器，电荷泵具有更高的转换效率和较低的静态功耗。

‌可编程控制‌：通过控制开关管的工作方式和频率，可以根据需要动态调节输出电压和功率。

缺点包括：

‌效率较低‌：通常低于开关稳压器，且输出纹波和噪声较高。

‌适用范围有限‌：适合低负载电流和中等输入输出电压差的应用。

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)。

电荷泵负压电路的工作原理

电荷泵负压电路是一种利用电容储能的DC/DC变换器，也被称为开关电容式电压变换器。它通过电容的充电与转移，可以使输入电压升高或降低，甚至产生负压。

在电荷泵负压电路中，PWM(脉冲宽度调制)波形的高电平对应Q2导通，而PWM的低电平对应Q1导通。VG1是一个阶跃信号，通常设置为方波，具有一定的振幅和频率。当VG1的PWM信号处于高电平时，电流的方向是VG1→C1→D1→GND，此时电容C1进行充电，其两端形成左正右负的电势差，即VH。而当VG1的PWM信号处于低电平时，电流的方向变为C2→D2→C1→VG1，此时C1进行放电，同时对C2进行充电。由于电容两端电压不能突变的特性，当C1左端变为0时，VF1端会变为-VH，忽略D2的压降，VF2自然得到一个负压输出-VH，这个负压值受VG1频率和振幅的影响。

电荷泵负压电路的应用场景

电荷泵负压电路在电子设备中有广泛的应用，例如：

LCD屏幕背光驱动：LCD屏幕背光需要高压驱动，电荷泵负压电路可以将低电压转换为高电压，驱动LCD屏幕背光。

电子气体放电灯驱动：电子气体放电灯需要高压驱动，电荷泵负压电路可以将低电压转换为高电压，驱动电子气体放电灯。

电子钟表驱动：电子钟表需要低电压驱动，电荷泵负压电路可以将低电压转换为高电压，驱动电子钟表。

电子游戏机驱动：电子游戏机需要高压驱动，电荷泵负压电路可以将低电压转换为高电压，驱动电子游戏机。

总之，电荷泵负压电路在电子设备中有着广泛的应用，可以将低电压转换为高电压，驱动各种电子设备。

【结语】

电荷泵负压电路是一种利用电容储能的DC/DC变换器，可以实现输入电压升高或降低，甚至产生负压。本文详细介绍了电荷泵负压电路的工作原理和应用场景。在电子设备中，电荷泵负压电路有着广泛的应用，可以将低电压转换为高电压，驱动各种电子设备。