电荷泵电路的工作原理及倍压器电路示例

通过了解电荷泵电路、它们是什么、它们如何工作、它们的优缺点以及它们的应用，进一步深入了解开关电容器电路。

什么是电荷泵电路？

电荷泵电路或电荷泵稳压器是一种 DC-DC 转换器，它利用开关电容技术来增加或降低输入电压电平。

如图 1 所示，这些电路块通常仅由电容器和开关（即时钟控制的场效应晶体管或 FET）组成，并且通过仔细定时和控制这些开关来利用电容器的电荷转移特性来工作。

图 1.简单电荷泵电路原理图。图片由德州仪器提供

通过交替充电和放电电容器，电荷泵可以将输入电压转换为稳定的输出电压。

从较低级别的角度来看，电荷泵电路利用了电容器的固有行为及其无法瞬时改变状态的能力。正如电容器 IV 方程所定义的，为了使电容器瞬时改变其电压，它需要无限量的电流。

由于这在物理上是不可能的，我们看到电容器不能突然改变其端子上的电压。电荷泵利用这种行为，通过使用精心定时的开关来控制电容器两端的电压。

电荷泵倍压器电路示例

为了更好地理解电荷泵的工作原理，我们现在来看一个基本示例：电压倍增器电路。

如图 2 所示，我们的倍压器电路由一个由四个周围开关控制的单个电容器组成。

图 2.倍压器电路原理图

该电路的操作分为两个阶段：增益阶段和公共阶段。在增益阶段，SW1 和 SW2 闭合，而 SW3 和 SW4 断开。如图3所示，在这个阶段，C1的正负端分别连接到Vin和GND。

图 3. 在增益阶段，电容器充电至 Vin

因此，电容器被充电，直到其端子上的电压等于 Vin。现在 C1 充电至 Vin，我们切换到图 4 所示的公共相位。

图 4. 在共相中，电容器通过将其正极端子提升至 2*Vin 来维持其两端的电压

在共相中，SW1 和 SW2 断开，SW3 和 SW4 闭合。这里，C1 的负端连接到 Vin，而正端连接到 Vout。

如前所述，电容器两端的电压不能立即改变。因此，电容器将尝试在其自身上保持等效的 Vin 电压。为了在其自身上保持此 Vin，电容器迫使 Vout 处的电压等于 2*Vin，使电容器两端的等效电压等于 Vin。

输出电压以地为参考，电压倍增器电路有效地接受输入 Vin 并产生 2*Vin 的输出电压。

电荷泵电路中的非理想行为

值得注意的是，到目前为止，我们的讨论都假设了理想电容器和理想开关，这两者在实际应用中都不现实。

电荷泵电路中非理想行为的一些来源包括：

时钟馈通

MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）开关损耗

电容器等效串联电阻 （ESR）

当前不匹配

电荷泄漏

费用共享

这些非理想情况中的每一个都可能导致电荷泵电路的效率降低，并且行为与我们迄今为止的方程式和示例所建模的行为略有不同。

电荷泵稳压器：优点、缺点、应用

与开关稳压器相比，电荷泵稳压器的主要优点之一是由于不需要使用电感器，其尺寸显着减小。

电感器因在集成电路上需要大量硅面积而臭名昭著，因为它们的性能非常依赖于几何形状：电感值与匝数直接相关，而更多的匝数需要更多的面积。另一方面，电荷泵不需要使用电感器，因此比开关转换器小得多。

下面的表 1 显示了电荷泵、基于电感的开关模式稳压器和低压差 （LDO） 电路之间的一些主要优缺点。

表 1.比较电荷泵、开关稳压器和 LDO 的优缺点。

与线性稳压器相比，电荷泵还具有优势，即它们提供更高的效率，并且可以对输入电压进行降压和升压。

另一方面，电荷泵的效率往往低于开关稳压器，并且具有高水平的输出纹波和噪声，使其成为比线性稳压器更差的稳压器。由于这些原因，电荷泵最适合需要低负载电流和中等输入输出电压差的应用。

电荷泵电路的一些流行应用包括：

偏置电路

逐次逼近 ADC

电可擦可编程只读存储器 （ EEPROM ）

H桥高边驱动器

磁阻随机存取存储器 （MRAM）

锁相环

在本文中，我们讨论了电荷泵电路的概述、它们的工作原理，并展示了一个倍压器电路示例。除此之外，我们还讨论了电荷泵稳压器的权衡，并讨论了它与其他流行类型的稳压器的比较。