【導讀】大多數工程師都很熟悉可以將輸出電壓 (V_OUT) 提升至高于輸入電壓 (V_IN) 的升壓變換器，也熟悉升降壓變換器和單端原邊電感變換器 (SEPIC)，它們可以確保 V_OUT 根據接收設備的需求高于、低于或等于 V_IN。

Charge Pump（電荷泵）變換器是一種利用電容來(lái)升高或降低電壓的 DC/DC 變換器。這種變換器通常占位面積較小，卻具有較高的效率以及令人難以置信的性?xún)r(jià)比。它們常被用于薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）的背光和光學(xué)模塊，也可用于驅動(dòng)降壓電路中的上晶體管（N 溝道 MOSFET）

電荷泵充當倍壓器

電荷泵變換器的傳統用法是用作倍壓器，它通過(guò) V_IN 為電容充電，然后切換電荷以確保 V_OUT 恰好是 V_IN 的兩倍。其基本原理很簡(jiǎn)單，即對電容進(jìn)行充電和放電，然后利用電容可以存儲電荷的原理，將這些電荷與充電電路隔離，并通過(guò)放電電路進(jìn)行傳遞。

在充電階段，四個(gè)開(kāi)關(guān)中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)（Q1 和 Q4）導通，另外兩個(gè)開(kāi)關(guān)（Q2 和 Q3）則關(guān)斷；這讓輸入為電容 (C1) 充電（見(jiàn)圖 1）。

然后是轉換階段，Q1 和 Q4 關(guān)斷，而 Q2 和 Q3 則導通，因為電容兩端的電壓不會(huì )立即變化。C1 向輸出電容 (C_OUT) 放電，電荷的傳輸通過(guò)開(kāi)關(guān)變換實(shí)現，最后 V_OUT = 2 x V_IN。 

圖1: 倍壓器原理圖

電荷泵應用

下面我們將描述電荷泵變換器的典型應用。

電荷泵在 Buck 降壓電路上管 MOSFET 中的應用

以降壓電路為例。為了驅動(dòng)上管 MOSFET (HS-FET) 并確保柵源電壓 (V_GS) 超過(guò)閾值電壓 (V_TH)，一般需要自舉電路來(lái)升高柵極電壓。

如圖 2 所示，C1 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內完成充電和放電過(guò)程，從而提高了柵極電壓。電荷泵不僅可以被降壓變換器的自舉電路用來(lái)驅動(dòng) HS-FET，還可用于驅動(dòng)半橋和全橋應用中的HS-FET。 

圖2: 電荷泵被用于驅動(dòng) HS-FET

電荷泵在 Boost 升壓電路中的應用

在升壓應用中，升壓變換器的最大 V_OUT 可能無(wú)法滿(mǎn)足某些器件的電壓規格，例如 TFT-LCD 中的 VP/VN 電源。假設一個(gè)常用于 TFT 偏置電源的變換器，如果其輸出超過(guò) 25V，但 SW 引腳僅支持 25V 最大電壓，則輸出通常會(huì )受限。

當然，工程師們也可以采用耐壓更高的 IC，但這些 IC 通常性?xún)r(jià)比較低。在這種情況下，我們可以添加電荷泵電路（見(jiàn)圖3）。只需添加一些額外組件，升壓變換器的新輸出 (V_OUT2) 就可以是典型輸出電壓 (V_OUT1) 的兩倍。圖 3 顯示了一個(gè)利用 MP1542 （700kHz/1.3MHz 升壓變換器）實(shí)現的電荷泵。 

圖3: 升壓電路中的電荷泵

基于圖 3 得到的簡(jiǎn)化電路圖如圖 4 所示。 

圖4: 升壓電路中的簡(jiǎn)化電荷泵

圖 5 顯示了整個(gè)充電流程。當 Q1 導通時(shí)，C1 將能量傳遞給 C2，C2 電壓升高，直至 V₁ 等于 V₂。當 Q1 關(guān)斷時(shí)，第二個(gè)電容 (C2) 將能量傳遞給輸出，最終電壓 (V₃) 等于 V₂ + V₁，或 2 倍的 V₁。 

圖5: 簡(jiǎn)化電荷泵的功能框圖

利用電荷泵實(shí)現負壓應用

電荷泵還常被用于同時(shí)具有正壓輸出和負壓輸出的應用，因其所需外圍組件較少，而且占用空間也較小。

在圖 6 所示的電路中，內部邏輯電路僅需 4 個(gè) MOSFET，即可使 V_OUT 等于負 V_IN。該電路無(wú)需外部電感，這降低了總體成本并簡(jiǎn)化了設計。這種緊湊的薄型解決方案可用于多種應用，包括光學(xué)模塊、射頻放大器和傳感器電源。 

圖6: 負壓電路中的電荷泵

表 1 對傳統感性 DC/DC 變換器和容性 DC/DC 變換器之間的差異進(jìn)行了總結。

表1: 感性 DC/DC 變換器和容性 DC/DC 變換器的比較

結語(yǔ)

電荷泵變換器是能夠有效將輸入翻倍輸出的高性?xún)r(jià)比解決方案。設計人員應根據應用需求來(lái)選擇合適的 DC/DC 變換器。MPS 提供了多種電荷泵變換器、升壓變換器和升降壓變換器選擇，可滿(mǎn)足任何設計規范。

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