深度解析电荷泵设计工作原理

　　电荷泵是一种增加或反转DC电压的技术。例如，+5V可以转换为+10V或-5V（或更高/更低的值）。与…相比升压转换器电荷泵需要更少的元件和更少的PCB空间，并且更便宜；然而，电荷泵的局限性在于它们只能提供相对少量的电流。由于低电流限制，电荷泵最适合信号（通信）或驱动LCD背光等应用。历史上，一个常见的应用是产生+3V至+15V和-3V至-15V的RS232通信收发器（如MAX232）。

　　理论

　　电荷泵的工作原理非常简单。关于电，我们学到的第一件事是，如果我们将电池串联，那么它们的电压就会相加。

　　另一个电学基础是电容器就像小电池。

　　如果我们可以用一个电压源给一个电容器充电，然后迅速将其与电压源串联重新定位，那么我们就可以使电压加倍（与串联添加电池增加其电压的方式相同）。在电路中，重新定位可以通过开关来完成——机械开关（物理开关或电磁继电器）或固态开关（晶体管/二极管）。

　　就产生负电压而言，这只是重新定位电容器的情况，使得其正充电端子连接到电压源的负端子。

　　该原理也可以被缩放，因为任意数量的电容器可以在电压源处被并联充电，然后被重新放置在堆叠中。

　　电荷泵原理图

　　在原理图上，上述配置可以按如下方式完成：

　　（截图是在切换的瞬间后稍微捕捉到的，此时电容已经稍微放电了。）

　　电压反转看起来如下：

　　当然，如果有任何负载，则电容器将立即开始放电，因此有必要在并联和串联配置之间不断地来回切换电容器，以便保持对其再充电。

　　为了在开关时保持输出电压相对恒定，我们可以在输出端增加一个电容。

　　这在一定程度上平滑了输出。

　　然而，让某人来回拨动开关来运行电荷泵显然是不实际的，并且为了用合理尺寸的电容器保持相对稳定的输出电压，需要非常快速的开关；因此需要快速时钟信号来运行切换。

　　时钟电荷泵

　　在上述电路中，MC34063降压转换器用于将25V降压至5V。开关晶体管集成在控制器内部，因此不需要外部晶体管。控制器使用反馈电阻R2/R3监控输出电压，并在负载上保持恒定的输出电压。

　　给定一个时钟信号，我们可以将该信号连接到电容的负极，并通过二极管将电容的正极连接到正电压源。

　　当时钟信号为低电平（0V）时，电容器将通过二极管充电至正电源电压（减去二极管上的电压降）。

　　当时钟信号为高电平（电源电压，本例中为+1.5V）时，存储在充电电容中的电压将被添加到其负引脚的电压之上，从而产生双倍的输出电压。

　　（二极管防止电容器放电至电源电压。）

　　结果是时钟电压加倍。

　　为了平滑输出电压，我们可以在输出端增加另一个电容和一个二极管，以防止它在时钟周期的低相位反向放电。

　　我们现在有一个非常平滑的输出电压。

　　由于二极管上的压降（1.5V对于电源电压来说非常低，二极管上的压降相对较大，对于5V/9V/等电源电压来说相对较小）以及现实世界电子元件的非理想特性（如内阻），平滑后的输出电压并不是输入电压的两倍，但它会大幅提升至电源电压以上，我们可以通过调整原理和增加更多泵级来进一步提升。

　　迪克森电荷泵

　　增加额外的泵级需要反相时钟。使用简单的N-MOSFET和上拉电阻可以实现时钟反转：

　　然而，这仅适用于较高的电源电压，因为典型N-MOSFET的栅极阈值电压约为2.1V，所以此时我们将切换到+5V电源。

　　我们将反相时钟连接到第2级电容的负极：

　　让我们分析一下这是如何工作的（为了简单起见，忽略二极管/晶体管上的压降）。

　　最初，时钟为低电平，第1级电容充电至电源电压（+5V）。第2级电容还没有充电，因为它的正负引脚上都有电源电压。

　　接下来，时钟变为高电平，第二级充电至+10V，与之前一样。

　　现在，时钟再次变低，导致反相时钟变高，并将现在充电的第2级电容升压至电源电压的3倍（+15V）。

　　同样，由于二极管和非理想真实元件上的压降，输出电压不完全是+15V，但肯定是电源电压的两倍以上。

　　这个过程可以被链接和缩放，以产生任意高的输出电压

　　这种类型的电荷泵拓扑被称为Dickson电荷泵。

　　马克思发生器

　　另一个有趣的设计是马克思发生器：

　　在这个设计中，火花隙被用作开关。火花隙是相隔一定距离放置的导体，一旦它们之间的电压高于绝缘体击穿电压（空气中约为30kV/cm），就会导致导电。一旦所有并联电容器被充电，通过触发第一火花隙，火花隙上的连锁反应被启动。使用这种技术，可以产生几十万伏的电压。

　　电荷泵IC

　　将我们的思维转回普通的电子学，值得一提的是，有一些方便的集成电路（IC）可以简化在设计中添加电荷泵的过程——只需要一个电源电压和两个电容——例如工业标准TC7660。

　　还提供更先进的电荷泵IC，通过仔细控制驱动电荷泵的时钟，同时仔细监控输出电压，这些IC可以输出相对精确的调节电压。

　　总之，电荷泵为不需要大电流输出的升压或反相提供了一种有趣而紧凑的低成本选择。

　　审核编辑：黄飞