電荷泵的工作原理

電荷泵電壓反轉器是一種DC/DC變換器，它將輸入的正電壓轉換成相應的負電壓，即VOUT= -VIN。另外，它也可以把輸出電壓轉換成近兩倍的輸入電壓，即VOUT≈2VIN。由于它是利用電容的充電、放電實現電荷轉移的原理構成，所以這種電壓反轉器電路也稱為電荷泵變換器（Charge Pump Converter）。

電荷泵的應用
    電荷泵轉換器常用于倍壓或反壓型DC-DC 轉換。電荷泵電路采用電容作為儲能和傳遞能量的中介，隨著半導體工藝的進步，新型電荷泵電路的開關頻率可達1MHz。電荷泵有倍壓型和反壓型兩種基本電路形式。
    電荷泵電路主要用于電壓反轉器，即輸入正電壓，輸出為負電壓，電子產品中，往往需要正負電源或幾種不同電壓供電，對電池供電的便攜式產品來說，增加電池數量，必然影響產品的體積及重量。采用電壓反轉式電路可以在便攜式產品中省去一組電池。由于工作頻率采用2～3MHz，因此電容容量較小，可采用多層陶瓷電容（損耗小、ESR 低），不僅提高效率及降低噪聲，并且減小電源的空間。
    雖然有一些DC/DC 變換器除可以組成升壓、降壓電路外也可以組成電壓反轉電路，但電荷泵電壓反轉器僅需外接兩個電容，電路最簡單，尺寸小，并且轉換效率高、耗電少，所以它獲得了極其廣泛的應用。
    目前不少集成電路采用單電源工作，簡化了電源，但仍有不少電路需要正負電源才能工作。例如，D/A 變換器電路、A/D 變換器電路、V/F或F/V 變換電路、運算放大器電路、電壓比較器電路等等。自INTERSIL公司開發出ICL7660電壓反轉器IC后，用它來獲得負電源十分簡單，90 年代后又開發出帶穩壓的電壓反轉電路，使負電源性能更為完善。對采用電池供電的便攜式電子產品來說，采用電荷泵變換器來獲得負電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數量、減少產品的體積、重量，并且在減少能耗（延長電池壽命）方面起到極大的作用。現在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流，效率達到75%(平均值)。
    電荷泵大多應用在需要電池的系統，如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統和便攜式電子設備。 便攜式電子產品發展神速，對電荷泵變換器提出不同的要求，各半導體器件公司為滿足不同的要求開發出一系列新產品，本文將作一個概況介紹。

電荷泵的分類
電荷泵分類
電荷泵可分為：

• 開關式調整器升壓泵，如圖1(a)所示。
• 無調整電容式電荷泵，如圖1(b)所示。
• 可調整電容式電荷泵，如圖1(c)所示。

 
圖1 電荷泵的種類

電荷泵工作過程
    3 種電荷泵的工作過程均為：首先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。開關式調整器升壓泵采用電感器來貯存能量，而電容式電荷泵采用電容器來貯存能量。

電荷泵的結構
    電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現電壓提升，采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的，但需要外部電容器。由于工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容(1mF)，使空間占用小，使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供±2 倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的ESR(等效串聯電阻)和內部開關晶體管的RDS(ON)。電荷泵轉換器不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它的輸出電壓是工廠生產精密預置的,調整能力是通過后端片上線性調整器實現的，因此電荷泵在設計時可按需要增加電荷泵的開關級數，以便為后端調整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應用產品的設計。從電容式電荷泵內部結構來看,如圖2 所示它實際上是一個片上系統。
 
圖2 電容式電荷泵內部結構

電荷泵工作原理
    電荷泵變換器的基本工作原理如圖3所示。它由振蕩器、反相器及四個模擬開關組成，外接兩個電容C1、C2 構成電荷泵電壓反轉電路。
 
    振蕩器輸出的脈沖直接控制模擬開關S1及S2；此脈沖經反相器反相后控制S3及S4。當S1、S2 閉合時，S3、S4 斷開；S3、S4 閉合時，S1、S2 斷開。
     當S1、S2 閉合、S3、S4 斷開時，輸入的正電壓V+向C1 充電（上正下負），C1 上的電壓為V+；當S3、S4閉合、S1、S2斷開時，C1向C2放電（上正下負），C2上充的電壓為-VIN，即VOUT=-VIN。當振蕩器以較高的頻率不斷控制S1、S2 及S3、S4 的閉合及斷開時，輸出端可輸出變換后的負電壓（電壓轉換率可達99%左右）。
     由圖3 可知，電荷泵電壓反轉器并不穩壓，即有負載電流時，輸出電壓將有變化。輸出電流與輸出電壓的變化曲線（輸出特性）稱為輸出特性曲線，其特點是輸出電流越大，輸出電壓變化越大。
    一般以輸出電阻Ro來表示輸出電流與輸出電壓的關系。若輸出電流從零增加到Io時，輸出電壓變化為△V，則輸出電阻Ro 為：
 Ro = △V/Io
     輸出電阻Ro 越小，輸出電壓變化越小，輸出特性越好。

如何選擇電荷泵
1、效率優先，兼顧尺寸
    如果需要兼顧效率和占用的 PCB 面積大小時，可考慮選用電荷泵。例如電池供電的應用中，效率的提高將直接轉變為工作時間的有效延長。通常電荷泵可實現 90% 的峰值效率，更重要的是外圍只需少數幾個電容器，而不需要功率電感器、續流二極管及 MOSFET。這一點對于降低自身功耗，減少尺寸、BOM 材料清單和成本等至關重要。
2、輸出電流的局限性
    電荷泵轉換器所能達到的輸出負載電流一般低于 300mA，輸出電壓低于 6V。多用于體積受限、效率要求較高，且具有低成本的場合。換言之，對于 300mA 以下的輸出電流和 90% 左右的轉換效率，無電感型電荷泵 DC/DC 轉換器可視為一種成本經濟且空間利用率較高的方式。然而，如果要求輸出負載電流、輸出電壓較大，那么應使用電感開關轉換器，同步整流等 DC/DC 轉換拓撲。
3、較低的輸出紋波和噪聲
    大多數的電荷泵轉換器通過使用一對集成電荷泵環路，工作在相位差為 180 度的情形，這樣的好處是最大限度地降低輸出電壓紋波，從而有效避免因在輸出端增加濾波處理而導致的成本增加。而且，與具有相同輸出電流的等效電感開關轉換器相比，電荷泵產生的噪聲更低些。對于 RF 或其它低噪聲應用，這一點使其無疑更具競爭優勢。

電荷泵選用要點
    作為一個設計工程師選用電荷泵時必然會考慮以下幾個要素：

•  轉換效率要高
  無調整電容式電荷泵 90%
  可調整電容式電荷泵 85%
  開關式調整器 83%
•  靜態電流要小，可以更省電；
•  輸入電壓要低，盡可能利用電池的潛能；
•  噪音要小，對手機的整體電路無干擾；
•  功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機設計更小巧；
•  足夠的輸出調整能力，電荷泵不會因工作在滿負荷狀態而發燙；
•  封裝尺寸小是手持產品的普遍要求；
•  安裝成本低，包括周邊電路占PCB 板面積小，走線少而簡單；
•  具有關閉控制端，可在長時間待機狀態下關閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。

新型電荷泵變換器的特點
    80 年代末90 年代初各半導體器件廠生產的電荷泵變換器是以ICL7660為基礎開發出一些改進型產品，如MAXIM 公司的MAX1044、Telcom 公司的TC1044S、TC7660 和LTC 公司的LTC1044/7660等。這些改進型器件功能與ICL7660相同，性能上有改進，管腳排列與ICL7660完全相同，可以互換。
     這一類器件的缺點是：輸出電流小；輸出電阻大；振蕩器工作頻率低，使外接電容容量大；靜態電流大。
     90 年代以后，隨著半導體工藝技術的進步與便攜式電子產品的迅猛發展，各半導體器件公司開發出各種新型電荷泵變換器，它們在器件封裝、功能和性能方面都有較大改進，并開發出一些專用的電荷泵變換器。它們的特點可歸納為：
1. 提高輸出電流及降低輸出電阻
     早期產品ICL7660在輸出40mA時，使-5V 輸出電壓降為-3V（相差2V），而新型MAX660輸出電流可達100mA，其輸出電阻Ro僅為6.5Ω，MAX660在輸出40mA時，-5V輸出電壓為-4.74V（相差僅0.26V），即輸出特性有較大的提高。MAX682 的輸出電流可達250mA，并且在器件內部增加了穩壓電路，即使在250mA 輸出時，其輸出電壓變化也甚小。這種帶穩壓的產品還有AD 公司的ADM8660、LT 公司的LT1054 等。
2. 減小功耗
     為了延長電池的壽命或兩次充電之間的間隔，要盡可能減小器件的靜態電流。近年來，開發出一些微功耗的新產品。ICL7660 的靜態電流典型值為170μA，新產品TCM828的靜態電流典型值為50μA，MAX1673 的靜態電流典型值僅為35μA。另外，為更進一步減小電路的功耗，已開發出能關閉負電源的功能，使器件耗電降到1μA 以下，另外關閉負電源后使部分電路不工作而進一步達到減少功耗的目的。例如，MAX662A、AIC1841 兩器件都有關閉功能，在關閉狀態時耗電< 1μA，幾乎可忽略不計。這一類器件還有TC1121、TC1219、ADM660 及ADM8828等。
3. 擴大輸入電壓范圍
      ICL7660電荷泵電路的輸入電壓范圍為1.5～10V，為了滿足部分電路對更高負壓的需要，已開發出輸入電壓可達18及20V的新產品，即可轉換成-18 或-20V的負電壓。例如，TC962、TC7662A 的輸出電壓范圍為3～18V，ICL7662、Si7661 的輸入電壓可達20V。
4. 減少占印板的面積
     減少電荷泵變換器占印板面積有兩種措施：采用貼片或小尺寸封裝IC，新產品采用SO封裝、μMAX封裝及開發出尺寸更小的SOT-23封裝；其次是減小外接電容的容量。輸出電流一定時，電荷泵變換器的外接電容的容量與振蕩器工作頻率有關：工作頻率越高，電容容量越小。工作頻率在幾kHz到幾十kHz時，往往需要外接10μF的泵電容；新型器件工作頻率已提高到幾百kHz，個別的甚至到1MHz，其外接泵電容容量可降到1～0.22μF。
     ICL7660 工作頻率為10kHz，外接10μF電容；新型TC7660H 的工作頻率提高到120kHz，其外接泵電容已降為1μF。MAX1680/1681 的工作頻率高達1MHz，在輸出電流為125mA 時，外接泵電容僅為1μF。TC1142 工作頻率200kHz，輸出電流20mA 時，外接泵電容僅為0.47μF。MAX881R 工作頻率100kHz，輸出電流較小，其外接泵電容僅為0.22μF。
     若采用SOT-23 封裝的器件及貼片式電容，則整個電荷泵變換器的面積可做得很小。
5. 輸出負電壓可設定（調整）
    一般的電荷泵變換器的輸出負電壓VOUT = -VIN，是不可調整的，但新型產品MAX1673可外接兩個電阻R1、R2來設定輸出負電壓。輸出電壓VOUT 與R1、R2 的關系為：
 VOUT = -(R2/R1)VREF
     式中VREF為外接的基準電壓。MAX881R、ADP3603～ADP3605、AIC1840/1841 等都有這種功能。
6. 兩種新型的四倍壓器件
     MAX662A是一種輸入5V 電壓輸出12V 帶穩壓的電荷泵變換器，輸出電流可達30mA，它用于閃速存儲器編程電源（Flash Memory Programming Supply）。該器件實際上是經兩次倍壓（四倍壓）后其經穩壓后輸出。
     LTC1502 是另一種工作原理與MAX662A 相同的四倍壓器件（它是LT 公司1999 年一季度推出的新產品）。該器件用一節可充電電池或一節堿性電池就可輸出3.3V 穩定的電壓。另外，它最低的輸入電壓為0.9V，可充分利用電池的能量。輸出電壓精度為3.3V±4%，輸出電流為10mA。該器件靜態電流僅為40μA，并有關閉電源控制，外圍元件僅5 個電容，若采用貼片式電容，整個電源面積小于0.125 平方英寸。