电荷泵介绍以及工作原理

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1、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 V0UTU2VIN。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

2、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23MHz,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

3、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

4、，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。幵叢鼻畀TUMVoutI01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

5、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

6、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。吐荷衆变换器的M匚作总理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

7、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AV,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

8、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1

9、80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

10、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；

11、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6.5Q, 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250m

12、A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170,新产品TCM828的静 态电流典型值为50pA, MAX1673的静态电流典型值仅为35pA。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1|JA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 1pA，几乎可

13、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1.510V,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318V, 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、pMAX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

14、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1O|JF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10.22肝。ICL7660工作频率为10kHz，外接10pF电容；新型TC7660H的工作频率提高到 120kHz,其外接泵电容已降为1pF0 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1pF0 TC1142工作频率200kHz，输出电流20mA时，外接 泵电容仅为0.47pFMAX881R工作频率100kHz,输出电流较小，

15、其外接泵电容仅为0.22肝。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、ADP3603ADP3605、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

16、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3.3V4%，输 出电流为10mA。该器件静态电流仅为40“A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。电荷泵扫盲篇介绍功率MOS管的驱动时，提到一个电荷泵，用来提供高于

17、VCC的电压。 这在马达驱动器，开关电源驱动芯片经常用到。而且很多情况下，跨接电容需要 单独选择。这时需要了解一些基本的内容。1，原理电荷泵的基本原理是，通过电容对电荷的积累效应而产生高压，使电流由低 电势流向高电势。（参考资料1）最简单的电荷泵：跨接电容A端通过二极管接Vcc，另一端B端接振幅Vin 的PWM方波。当B点电位为0时，A点电位为Vcc；当B点电位上升至Vin 时，因为电容两端电压不变，此时A点电位上升为Vcc+Vin。（参考资料2）所以，A点的电压就是一个PWM方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc。 （假设二极管为理想二极管）（很简单的电路，可以用Pspice模拟）A点

18、的方波经过简单的整流，就可以作为驱动MOS管的电源了。常见的马达驱动器或者开关电源驱动芯片有一个引脚，通常叫做Vboost,推 荐电路会在Vboost管脚和驱动管脚之间接上一个电容，这个电容就是上面介绍 的跨接电容。二极管会接在Vcc与Vboost之间。对于跨接电容，需要注意的是耐压和容量。2, 计算（参考凌特 LTC3240 DATASHEET）通常对于电荷泵，最感兴趣的是下面两个指标：1输出电压。理想情况下，输出电压最大值Voutmax=Vin+Vcc-Vf （Vf=二极管压降）。2,输出电流。经整流后得到的输出电压为Vout，可由公式算出Vout与最大可用输出电流的关系（参考资料3, p

19、age8,9）：lout=（Vcc+Vin-Vf-Vout）*f*Cfly （f=PWM 波频率，Cfly=跨接电容值）用来驱动MOS管时，因为此时相当于给电容充电，而电容充电瞬间相当于 短路（输出电压为0）,所以，我们用短路输出电流来评价电荷泵：Iout=（Vcc+Vi n-Vf）*f*Cfly上面两个公式是理想情况下得出的。因为电荷泵的有效开环输出电阻（参考资 料3）存在，使得实际情况不是那么理想。所以在MOS管的驱动设计中，选择跨 接电容时一般要留有一半的余量。3, 应用除了 MOS管的驱动，电荷泵有时也用于相机的照明灯等设备，也有升压， 降压，和产生负压的电荷泵。当然因为有更高的要求，内部原理要比上面介绍的 复杂得多，但是，万变不离其宗，了解了电荷泵的基本动作原理，更复杂的电路 也就不难了。