电荷泵的工作原理及特性

4 电荷泵

电荷泵（charge pump），也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。

4.1 电荷泵工作原理

首先我们简单讲解下电荷泵基础工作原理，也就是自举电路原理。

设D1、D2为理想二极管。

1）Vb输出0V时，Va向C1、C2电容充电，最终C1、C2电压为Va；

2）Vb输出Vb时，C1电压突变为Va+Vb。此时C2为Va，小于C1电压。C1向C2充电，最终C1、C2电压为Va+△V1；

3）Vb再次输出为0V，C1电压突变为Va+△V1-Vb。Va向C1电容充电，最终C1为为Va，C2为Va+△V1；

4）Vb再次输出Vb时，C1电压突变为Va+Vb。此时C2为Va+△V1，小于C1电压。C1向C2充电，最终C1、C2电压为Va+△V1+△V2；

5）以此类推，经过若干个周期后，Vc=Va+Vb。

同样若想获得一个更低的负压，该如何做呢？

原理是一样的，Va为负压，则调整二极管方向如下，最终Vc=Va-Vb。。

了解了电荷泵的工作原理。根据电力转换分类，我们将简单说下三种类型的电荷泵。

1）倍压型电荷泵。

2）稳压型电荷泵。

3）反向型电荷泵。

4.2 倍压型电荷泵

最常见的倍压型电荷泵为二倍压电荷泵。

二倍压电荷泵升压电路如下图所示：

二倍压电荷泵升压的工作原理就是自举电路原理的一样。只不过使用4个晶体管替代了二极管的作用。

1）VDD为输入供电电源，CF为flying电容，CL为储能电容，开关S1～S4可以由场效应管构成，它们由两路互补的时钟信号CLK1与CLK2控制，如下图所示。

2）在充电阶段，开关S1/S4闭合（导通），S2/S3打开（关断）。flying电容CF被充电到输入电压VDD，并储存能量，储存的能量将在下一个放电阶段被转移。储能电容CL，在上一个放电周期就已经被从CF转移过来的能量充电到2VDD电压，并提供负载电流。

3）在放电阶段，开关S1/S4打开，S2/S3闭合。CF的两端的总电压现在成为2VDD（这也是二倍压电荷泵名称的由来）。然后，CF放电将充电阶段存储的能量转移到CL，并且提供负载电流。

如果我们想使用电荷泵获得更多倍数的电压该如何做呢？

使用自举电路套娃即可，如下图所示。

4.3 稳压型电荷泵

稳压型电荷泵相当于倍压型电荷泵+调整电路。

我们充电宝一般就使用的就是稳压型电荷泵。同学们可以想想是为什么?

一般有倍压型电荷泵+开关调整和倍压型电荷泵+LDO两种。

4.3.1 开关调整稳压型电荷泵

开关调整稳压型电荷泵工作原理与Buck型DC/DC类型。当Vout＜设定电压时，进入充电阶段。当Vout＞设定电压时，进入放电阶段。下图为一典型的开关调整稳压型电荷泵框图 。

4.3.1 LDO稳压型电荷泵

LDO稳压型电荷泵工作原理为将电源倍压完成后，通过LDO稳压输出。下图为一典型的LDO稳压型电荷泵框图 。

4.4 反向型电荷泵

反向型电荷泵的作用就是正电源转负电源或负电源转正电源。

掌握了倍压型电荷泵后，再看反向型电荷泵就简单了。相等于调整了开关的接地位置。工作原理如下：

1）充电阶段，开关S1/S2闭合（导通），S3/S4打开（关断）。flying电容CF被充电到输入电压Vin。

2）放电阶段，开关S1/S2打开（关断），S4/S4闭合（导通）。flying电容CF电压翻转为-Vin，放电给储能电容CL。Vout=-Vin。

同学们可以思考下如何想要获得反向倍压电荷泵和反向稳压电荷泵？

4.5 电荷泵的优劣势

1）成本

电荷泵的控制电路简单，电容成本也低于电感，故设计复杂度及成本上电荷泵都具有优势。

2）效率

非调整型的电荷泵的效率一般高于电感性开关稳压器；

调整型的电荷泵的效率是低于电感性开关稳压器。

3）噪声

非调整型的电荷泵的噪声一般高于电感性开关稳压器；

调整型的电荷泵的噪声是低于电感性开关稳压器。

4）面积及EMI

电荷泵不使用电感，电容面积也小于电感，故EMI及面积上具有优势。

5）输出电流

电荷泵储能器件为电容，没有续流，故输出电流较低。