电荷泵介绍以及工作原理 .pdfVIP

电荷泵工作原理

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（ChargePumpConverter）。

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)。

电荷泵大多应用在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设

备。便携式电子产品发展神速，对电荷泵变换器提出不同的要求，各半导体器件公司为满

足不同的要求开发出一系列新产品，本文将作一个概况介绍。

电荷泵的分类

电荷泵分类

电荷泵可分为：

开关式调整器升压泵，如图1(a)所示。

无调整电容式电荷泵，如图1(b)所示。

可调整电容式电荷泵，如图1(c)所示。

图1电荷泵的种类

电荷泵工作过程

3种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的

输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存

能量。

电荷泵的结构

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容

器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。由于工作于较高的频率，因此可

使用小型陶瓷电容(1mF)，使空间占用小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍

的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS(ON)。

电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。

它的输出电压是工厂生产精密预置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电

荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电

荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,如图2所示它实际

上是一个片上系统。

图2电容式电荷泵内部结构

电荷泵工作原理

电荷泵变换器的基本工作原理如图3所示。它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，

外接两个电容C1、C2构成电荷泵电压反转电路。

振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1及S2；此脉冲经反相器反相后控制S3及S4。

当S1、S2闭合时，S3、S4断开；S3、S4闭合时，S1、S2断开。

当S1、S2闭合、S3、S4断开时，输入的正电压V+向C1充电（上正下负），C1上

的电压为V+；当S3、S4闭合、S1、S2断开时，C1向C2放电（上正下负），C2上充的

电压为-VIN，即VOUT=-VIN。当振荡器以较高的频率不断控制S1、S2及S