电荷泵的工作原理
电荷泵的工作原理
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（charge pump converter）。
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s3、s4 的闭合及断开时，输出端可输出变换后的负电压（电压转换率可达99%左右）。
由图3 可知，电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将有变化。输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）称为输出特性曲线，其特点是输出电流越大，输出电压变化越大。
一般以输出电阻ro来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到io时，输出电压变化为△v，则输出电阻ro 为：
ro = △v/io
输出电阻ro 越小，输出电压变化越小，输出特性越好。
如何选择电荷泵
1、效率优先，兼顾尺寸
如果需要兼顾效率和占用的 pcb 面积大小时，可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中，效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实现 90% 的峰值效率，更重要的是外围只需少数几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及 mosfet。这一点对于降低自身功耗，减少尺寸、bom 材料清单和成本等至关重要。
2、输出电流的局限性
电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于 300ma，输出电压低于 6v。多用于体积受限、效率要求较高，且具有低成本的场合。换言之，对于 300ma 以下的输出电流和 90% 左右的转换效率，无电感型电荷泵 dc/dc 转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而，如果要求输出负载电流、输出电压较大，那么应使用电感开关转换器，同步整流等 dc/dc 转换拓扑。
3、较低的输出纹波和噪声
大多数的电荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路，工作在相位差为 180 度的情形，这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波，从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且，与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比，电荷泵产生的噪声更低些。对于 rf 或其它低噪声应用，这一点使其无疑更具竞争优势。
电荷泵选用要点
作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素：
转换效率要高
无调整电容式电荷泵 90%
可调整电容式电荷泵 85%
开关式调整器 83% 静态电流要小，可以更省电； 输入电压要低，尽可能利用电池的潜能； 噪音要小，对手机的整体电路无干扰； 功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计更小巧； 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫； 封装尺寸小是手持产品的普遍要求； 安装成本低，包括周边电路占pcb 板面积小，走线少而简单； 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。 新型电荷泵变换器的特点
80 年代末90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以icl7660为基础开发出一些改进型产品，如maxim 公司的max1044、telcom 公司的tc1044s、tc7660 和ltc 公司的ltc1044/7660等。这些改进型器件功能与icl7660相同，性能上有改进，管脚排列与icl7660完全相同，可以互换。
这一类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频率低，使外接电容容量大；静态电流大。
90 年代以后，随着半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展，各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进，并开发出一些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为：
1. 提高输出电流及降低输出电阻
早期产品icl7660在输出40ma时，使-5v 输出电压降为-3v（相差2v），而新型max660输出电流可达100ma，其输出电阻ro仅为6.5ω，max660在输出40ma时，-5v输出电压为-4.74v（相差仅0.26v），即输出特性有较大的提高。max682 的输出电流可达250ma，并且在器件内部增加了稳压电路，即使在250ma 输出时，其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品还有ad 公司的adm8660、lt 公司的lt1054 等。
2. 减小功耗
为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽可能减小器件的静态电流。近年来，开发出一些微功耗的新产品。icl7660 的静态电流典型值为170μa，新产品tcm828的静态电流典型值为50μa，max1673 的静态电流典型值仅为35μa。另外，为更进一步减小电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使器件耗电降到1μa 以下，另外关闭负电源后使部分电路不工作而进一步达到减少功耗的目的。例如，max662a、aic1841 两器件都有关闭功能，在关闭状态时耗电< 1μa，几乎可忽略不计。这一类器件还有tc1121、tc1219、adm660 及adm8828等。
3. 扩大输入电压范围
icl7660电荷泵电路的输入电压范围为1.5～10v，为了满足部分电路对更高负压的需要，已开发出输入电压可达18及20v的新产品，即可转换成-18 或-20v的负电压。例如，tc962、tc7662a 的输出电压范围为3～18v，icl7662、si7661 的输入电压可达20v。
4. 减少占印板的面积
减少电荷泵变换器占印板面积有两种措施：采用贴片或小尺寸封装ic，新产品采用so封装、μmax封装及开发出尺寸更小的sot-23封装；其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时，电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关：工作频率越高，电容容量越小。工作频率在几khz到几十khz时，往往需要外接10μf的泵电容；新型器件工作频率已提高到几百khz，个别的甚至到1mhz，其外接泵电容容量可降到1～0.22μf。
icl7660 工作频率为10khz，外接10μf电容；新型tc7660h 的工作频率提高到120khz，其外接泵电容已降为1μf。max1680/1681 的工作频率高达1mhz，在输出电流为125ma 时，外接泵电容仅为1μf。tc1142 工作频率200khz，输出电流20ma 时，外接泵电容仅为0.47μf。max881r 工作频率100khz，输出电流较小，其外接泵电容仅为0.22μf。
若采用sot-23 封装的器件及贴片式电容，则整个电荷泵变换器的面积可做得很小。
5. 输出负电压可设定（调整）
一般的电荷泵变换器的输出负电压vout = -vin，是不可调整的，但新型产品max1673可外接两个电阻r1、r2来设定输出负电压。输出电压vout 与r1、r2 的关系为：
vout = -(r2/r1)vref
式中vref为外接的基准电压。max881r、adp3603～adp3605、aic1840/1841 等都有这种功能。
6. 两种新型的四倍压器件
max662a是一种输入5v 电压输出12v 带稳压的电荷泵变换器，输出电流可达30ma，它用于闪速存储器编程电源（flash memory programming supply）。该器件实际上是经两次倍压（四倍压）后其经稳压后输出。
ltc1502 是另一种工作原理与max662a 相同的四倍压器件（它是lt 公司1999 年一季度推出的新产品）。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出3.3v 稳定的电压。另外，它最低的输入电压为0.9v，可充分利用电池的能量。输出电压精度为3.3v±4%，输出电流为10ma。该器件静态电流仅为40μa，并有关闭电源控制，外围元件仅5 个电容，若采用贴片式电容，整个电源面积小于0.125 平方英寸。
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电荷泵的工作原理
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220V转5V120MA交流转直流降压芯片
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基于工作流技术的发电企业管理信息系统的研究与开发
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智能压力变送器如何改变量程
浅谈贴片电感的作用
DC-DC开关电源管理芯片的设计
分补电容器的元件都有哪些类型
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（charge pump converter）。
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s3、s4 的闭合及断开时，输出端可输出变换后的负电压（电压转换率可达99%左右）。
由图3 可知，电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将有变化。输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）称为输出特性曲线，其特点是输出电流越大，输出电压变化越大。
一般以输出电阻ro来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到io时，输出电压变化为△v，则输出电阻ro 为：
ro = △v/io
输出电阻ro 越小，输出电压变化越小，输出特性越好。
如何选择电荷泵
1、效率优先，兼顾尺寸
如果需要兼顾效率和占用的 pcb 面积大小时，可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中，效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实现 90% 的峰值效率，更重要的是外围只需少数几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及 mosfet。这一点对于降低自身功耗，减少尺寸、bom 材料清单和成本等至关重要。
2、输出电流的局限性
电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于 300ma，输出电压低于 6v。多用于体积受限、效率要求较高，且具有低成本的场合。换言之，对于 300ma 以下的输出电流和 90% 左右的转换效率，无电感型电荷泵 dc/dc 转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而，如果要求输出负载电流、输出电压较大，那么应使用电感开关转换器，同步整流等 dc/dc 转换拓扑。
3、较低的输出纹波和噪声
大多数的电荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路，工作在相位差为 180 度的情形，这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波，从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且，与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比，电荷泵产生的噪声更低些。对于 rf 或其它低噪声应用，这一点使其无疑更具竞争优势。
电荷泵选用要点
作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素：
转换效率要高
无调整电容式电荷泵 90%
可调整电容式电荷泵 85%
开关式调整器 83% 静态电流要小，可以更省电； 输入电压要低，尽可能利用电池的潜能； 噪音要小，对手机的整体电路无干扰； 功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计更小巧； 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫； 封装尺寸小是手持产品的普遍要求； 安装成本低，包括周边电路占pcb 板面积小，走线少而简单； 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。 新型电荷泵变换器的特点
80 年代末90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以icl7660为基础开发出一些改进型产品，如maxim 公司的max1044、telcom 公司的tc1044s、tc7660 和ltc 公司的ltc1044/7660等。这些改进型器件功能与icl7660相同，性能上有改进，管脚排列与icl7660完全相同，可以互换。
这一类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频率低，使外接电容容量大；静态电流大。
90 年代以后，随着半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展，各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进，并开发出一些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为：
1. 提高输出电流及降低输出电阻
早期产品icl7660在输出40ma时，使-5v 输出电压降为-3v（相差2v），而新型max660输出电流可达100ma，其输出电阻ro仅为6.5ω，max660在输出40ma时，-5v输出电压为-4.74v（相差仅0.26v），即输出特性有较大的提高。max682 的输出电流可达250ma，并且在器件内部增加了稳压电路，即使在250ma 输出时，其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品还有ad 公司的adm8660、lt 公司的lt1054 等。
2. 减小功耗
为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽可能减小器件的静态电流。近年来，开发出一些微功耗的新产品。icl7660 的静态电流典型值为170μa，新产品tcm828的静态电流典型值为50μa，max1673 的静态电流典型值仅为35μa。另外，为更进一步减小电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使器件耗电降到1μa 以下，另外关闭负电源后使部分电路不工作而进一步达到减少功耗的目的。例如，max662a、aic1841 两器件都有关闭功能，在关闭状态时耗电< 1μa，几乎可忽略不计。这一类器件还有tc1121、tc1219、adm660 及adm8828等。
3. 扩大输入电压范围
icl7660电荷泵电路的输入电压范围为1.5～10v，为了满足部分电路对更高负压的需要，已开发出输入电压可达18及20v的新产品，即可转换成-18 或-20v的负电压。例如，tc962、tc7662a 的输出电压范围为3～18v，icl7662、si7661 的输入电压可达20v。
4. 减少占印板的面积
减少电荷泵变换器占印板面积有两种措施：采用贴片或小尺寸封装ic，新产品采用so封装、μmax封装及开发出尺寸更小的sot-23封装；其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时，电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关：工作频率越高，电容容量越小。工作频率在几khz到几十khz时，往往需要外接10μf的泵电容；新型器件工作频率已提高到几百khz，个别的甚至到1mhz，其外接泵电容容量可降到1～0.22μf。
icl7660 工作频率为10khz，外接10μf电容；新型tc7660h 的工作频率提高到120khz，其外接泵电容已降为1μf。max1680/1681 的工作频率高达1mhz，在输出电流为125ma 时，外接泵电容仅为1μf。tc1142 工作频率200khz，输出电流20ma 时，外接泵电容仅为0.47μf。max881r 工作频率100khz，输出电流较小，其外接泵电容仅为0.22μf。
若采用sot-23 封装的器件及贴片式电容，则整个电荷泵变换器的面积可做得很小。
5. 输出负电压可设定（调整）
一般的电荷泵变换器的输出负电压vout = -vin，是不可调整的，但新型产品max1673可外接两个电阻r1、r2来设定输出负电压。输出电压vout 与r1、r2 的关系为：
vout = -(r2/r1)vref
式中vref为外接的基准电压。max881r、adp3603～adp3605、aic1840/1841 等都有这种功能。
6. 两种新型的四倍压器件
max662a是一种输入5v 电压输出12v 带稳压的电荷泵变换器，输出电流可达30ma，它用于闪速存储器编程电源（flash memory programming supply）。该器件实际上是经两次倍压（四倍压）后其经稳压后输出。
ltc1502 是另一种工作原理与max662a 相同的四倍压器件（它是lt 公司1999 年一季度推出的新产品）。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出3.3v 稳定的电压。另外，它最低的输入电压为0.9v，可充分利用电池的能量。输出电压精度为3.3v±4%，输出电流为10ma。该器件静态电流仅为40μa，并有关闭电源控制，外围元件仅5 个电容，若采用贴片式电容，整个电源面积小于0.125 平方英寸。
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