4 電荷泵

電荷泵（charge pump），也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC(變換器)。

4.1 電荷泵工作原理

首先我們簡單講解下電荷泵基礎工作原理，也就是自舉電路原理。

設D1、D2為理想二極管。

1）Vb輸出0V時，Va向C1、C2電容充電，最終C1、C2電壓為Va；

2）Vb輸出Vb時，C1電壓突變為Va+Vb。此時C2為Va，小于C1電壓。C1向C2充電，最終C1、C2電壓為Va+△V1；

3）Vb再次輸出為0V，C1電壓突變為Va+△V1-Vb。Va向C1電容充電，最終C1為為Va，C2為Va+△V1；

4）Vb再次輸出Vb時，C1電壓突變為Va+Vb。此時C2為Va+△V1，小于C1電壓。C1向C2充電，最終C1、C2電壓為Va+△V1+△V2；

5）以此類推，經過若干個周期后，Vc=Va+Vb。

同樣若想獲得一個更低的負壓，該如何做呢？

原理是一樣的，Va為負壓，則調整二極管方向如下，最終Vc=Va-Vb。。

了解了電荷泵的工作原理。根據電力轉換分類，我們將簡單說下三種類型的電荷泵。

1）倍壓型電荷泵。

2）穩壓型電荷泵。

3）反向型電荷泵。

4.2 倍壓型電荷泵

最常見的倍壓型電荷泵為二倍壓電荷泵。

二倍壓電荷泵升壓電路如下圖所示：

二倍壓電荷泵升壓的工作原理就是自舉電路原理的一樣。只不過使用4個晶體管替代了二極管的作用。

1）VDD為輸入供電電源，CF為flying電容，CL為儲能電容，開關S1～S4可以由場效應管構成，它們由兩路互補的時鐘信號CLK1與CLK2控制，如下圖所示。

2）在充電階段，開關S1/S4閉合（導通），S2/S3打開（關斷）。flying電容CF被充電到輸入電壓VDD，并儲存能量，儲存的能量將在下一個放電階段被轉移。儲能電容CL，在上一個放電周期就已經被從CF轉移過來的能量充電到2VDD電壓，并提供負載電流。

3）在放電階段，開關S1/S4打開，S2/S3閉合。CF的兩端的總電壓現在成為2VDD（這也是二倍壓電荷泵名稱的由來）。然后，CF放電將充電階段存儲的能量轉移到CL，并且提供負載電流。

如果我們想使用電荷泵獲得更多倍數的電壓該如何做呢？

使用自舉電路套娃即可，如下圖所示。

4.3 穩壓型電荷泵

穩壓型電荷泵相當于倍壓型電荷泵+調整電路。

我們充電寶一般就使用的就是穩壓型電荷泵。同學們可以想想是為什么?

一般有倍壓型電荷泵+開關調整和倍壓型電荷泵+LDO兩種。

4.3.1 開關調整穩壓型電荷泵

開關調整穩壓型電荷泵工作原理與Buck型DC/DC類型。當Vout＜設定電壓時，進入充電階段。當Vout＞設定電壓時，進入放電階段。下圖為一典型的開關調整穩壓型電荷泵框圖 。

4.3.1 LDO穩壓型電荷泵

LDO穩壓型電荷泵工作原理為將電源倍壓完成后，通過LDO穩壓輸出。下圖為一典型的LDO穩壓型電荷泵框圖 。

4.4 反向型電荷泵

反向型電荷泵的作用就是正電源轉負電源或負電源轉正電源。

掌握了倍壓型電荷泵后，再看反向型電荷泵就簡單了。相等于調整了開關的接地位置。工作原理如下：

1）充電階段，開關S1/S2閉合（導通），S3/S4打開（關斷）。flying電容CF被充電到輸入電壓Vin。

2）放電階段，開關S1/S2打開（關斷），S4/S4閉合（導通）。flying電容CF電壓翻轉為-Vin，放電給儲能電容CL。Vout=-Vin。

同學們可以思考下如何想要獲得反向倍壓電荷泵和反向穩壓電荷泵？

4.5 電荷泵的優劣勢

1）成本

電荷泵的控制電路簡單，電容成本也低于電感，故設計復雜度及成本上電荷泵都具有優勢。

2）效率

非調整型的電荷泵的效率一般高于電感性開關穩壓器；

調整型的電荷泵的效率是低于電感性開關穩壓器。

3）噪聲

非調整型的電荷泵的噪聲一般高于電感性開關穩壓器；

調整型的電荷泵的噪聲是低于電感性開關穩壓器。

4）面積及EMI

電荷泵不使用電感，電容面積也小于電感，故EMI及面積上具有優勢。

5）輸出電流

電荷泵儲能器件為電容，沒有續流，故輸出電流較低。