電荷泵，也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC(變換器)。
基本介紹
- 中文名：電荷泵
- 外文名：charge pump
- 別名：開關電容式電壓變換器
- 分類：開關式調整器升壓泵等
簡介,分類,工作過程,一般套用,主要套用,
簡介
電荷泵利用一些開關元件來控制連線到電容器的電壓。例如，可以配合二階段的循環，用較低的輸入電壓產生較高的脈衝電壓輸出。在循環的第一階段，電容器連線到電源端，因此充電到和電源相同的電壓，在第一階段會調整電路組態，使電容和電源電壓串聯。若不考慮漏電流的效應，也假設沒有負載，其輸出電壓會是輸入電壓的兩倍（原始的電源電壓加上電容器兩端的電壓）。較高輸出電壓的脈衝特性可以用輸出的濾波電容器來濾波。
分類
電荷泵可分為：
——開關式調整器升壓泵
——無調整電容式電荷泵
——可調整電容式電荷泵
工作過程
3種電荷泵的工作過程均為：首先貯存能量，然後以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。開關式調整器升壓泵採用電感器來貯存能量，而電容式電荷泵採用電容器來貯存能量。
電容式電荷泵通過開關陣列和振盪器、邏輯電路、比較控制器實現電壓提升，採用電容器來貯存能量。因工作於較高頻率，可使用小型陶瓷電容器(1μF)，占用空間最小，使用成本較低。電荷泵僅用外部電容器即可提供±2倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的等效串聯電阻（ESR)和內部開關電晶體的RDS（ON）。電荷泵轉換器不使用電感器，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一隻小型電容器濾除。它的輸出電壓是工廠生產時精密預置的，可通過後端片上線性調整器調整，因此電荷泵在設計時可按需要增加電荷泵的開關級數，以便為後端調整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用於攜帶型套用產品的設計，是一個基準、比較、轉換和控制電路組成的系統。
一般套用
在DCDC電源後，2倍升壓與翻轉負電源，給LCD供電。
主要套用
在過去的十年里，電荷泵得到了廣泛運用，從未調整單輸出IC到帶多輸出電壓的調整IC。輸出功率和效率也得到了發展，因此現在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流，效率達到75%(平均值)。電荷泵大多套用在需要電池的系統，如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統和攜帶型電子設備。
主要套用包括驅動用於手機背光的白光LED和毫瓦範圍的數字處理器。
電荷泵如何工作
電荷泵(開關電容)IC通過利用一個開關網路給兩個或兩個以上的電容供電或斷電來進行DC/DC電壓轉換。基本電荷泵開關網路不斷在給電容器供電和斷電這兩個狀態之間切換。C1(充電電容)傳輸電荷，而C2(充電電容器)則儲存電荷並過濾輸出電壓。
額外的“快速電容”和開關陣列帶來多種好處。
電荷泵有哪些工作模式
電荷泵IC可以用作逆變器、分路器或者增壓器。逆變器將輸入電壓轉變成一個負輸出。作為分路器使用時，輸出電壓是輸出電壓的一部分，例如1/2或2/3。作為增壓器時，它可以給I/O帶來一個1.5X或者2X的增益。很多攜帶型系統都是用一個單鋰離子電池或者兩個金屬氫化物鎳電池。因此當在2X模式下運行時，電荷泵可以給一般在3.3V到4.0V的範圍內工作的白光LED供應適當的正向電壓。
電荷泵的輸出電壓經過調節嗎
基本電荷泵缺少調整電路，因此實際上所有當今使用的電荷泵IC都增加線性調整或者電荷泵調製。線性調整的輸出噪音最低，並可以在更低的效率情況下提供更好的性能。而由於調整IC沒有串聯傳輸電晶體，控制開關電阻的電荷泵調製就可以提供更高的效率，並為一個給定的晶片面積(或消耗)提供更多的輸出電流。
電荷泵的主要優勢是什麼
電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場和電磁干擾。但是，仍然有一個可能的微小噪音源，那就是當快速電容和一個輸入源或者另外一個帶不同電壓的電容器相連時，流向它的高充電電流。同樣的，“分路器”電荷泵也能在LDO上改進效率，但又不會像感應降壓調整器那樣複雜。
電荷泵的輸出電壓和它的輸入電壓適配嗎
電荷泵可以依據電池電壓輸入不斷改變其輸出電壓。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以運行。當電池的輸入電壓較低時，電荷泵可以產生一個相當於輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當電池的電壓較高時，電荷泵則在1X模式下運行，此時負載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸到負載中。這樣就在輸入電壓較高的時候降低了輸入電流和功率損耗。
增加電容的開關頻率會發生什麼變化
增加開關頻率也就增加了IC的靜態電流，但是也同時降低了C1和C2的電容值。常態頻率結構提供低噪音調整輸出電壓，同時其輸入噪音也比傳統的電荷泵調節器要低。高頻率操作簡化了過濾，從而進一步降低了傳導噪音。
哪些電容器最適用於電荷泵
要實現最優的性能，就要採用帶低等效串聯電阻(ESR)的電容器。低ESR電容器須用在IC的輸出上，來將輸出波紋和輸出電阻最小化，並達到最高的效率。陶瓷電容器就可以做到這一點，但是某些鉭電容器可能要比較合適一點。
電荷泵軟啟動將帶來什麼效應
軟啟動可以在啟動時阻止在VIN出產生過多的電流流量，從而增加了可定期用於輸出電荷儲存電容器的電流量。軟啟動一般在設備被關機時激活，並在設備獲得調整之後立刻禁止。
電荷泵IC如何將功率消耗最小化
通過運用脈衝頻率調製，IC只有在當電荷必須傳輸出去來保持輸出調節的時候才產生電荷。當輸出電壓高於目標調節電壓時，IC是閒置的，此時消耗的電流最小，因為儲存在輸出電容器上的電荷會提供負載電流。而隨著這個電容器不斷放電以及輸出電壓逐漸降到目標調節電壓一下，電荷泵才會激活並向輸出傳輸電荷。這個電荷供給負載電流，並增加輸出電容器上的電壓。
