什么是電荷泵(charge pump)？

電荷泵(charge pump)，也稱(chēng)為 開(kāi)關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用“快速”（flying）或“泵送”電容（非電感或變壓器）來(lái)儲(chǔ)能的DC-DC變換器。 電荷泵能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負(fù)電壓。 其內(nèi)部的FET開(kāi)關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電或放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)（比如1/2，2或3）倍增或降低，最終得到所需要的輸出電壓。

電荷泵的基本原理

電荷泵的基本原理是給電容充電，把電容從充電電路取下以隔離充進(jìn)的電荷，然后連接到另一個(gè)電路上，傳遞剛才隔離的電荷。我們形象地把這個(gè)傳遞電荷的電容看成是“裝了電子的水桶”。從一個(gè)大水箱把這個(gè)桶接滿(mǎn)，關(guān)閉龍頭，然后把桶里的水倒進(jìn)一個(gè)大水箱。電荷泵也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容，而非電感或變壓器來(lái)儲(chǔ)能的DC-DC變換器（直流變換器）。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負(fù)電壓。其內(nèi)部的MOSFET開(kāi)關(guān)陣列以一定的方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)(1/2,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。

電荷泵的電壓變換在兩個(gè)階段內(nèi)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān) S1 和 S2 關(guān)閉，S3 和 S4 打開(kāi)，電容 C1 連接到輸入電壓上開(kāi)始充電，最終充電到輸入電壓大小。此時(shí)電容 C1 就像是一個(gè)被裝滿(mǎn)水的桶，“水” 代表著電荷，電壓就相當(dāng)于桶里水的高度：

到了第二階段，開(kāi)關(guān) S3 和 S4 關(guān)閉，S1 和 S2 打開(kāi)，這時(shí)電容 C1 與輸入電壓斷開(kāi)，但是由于電容兩端電壓不能立即改變，它還保持著原來(lái)充電到的輸入電壓大小。同時(shí)，電容 C1 連接到了輸出端，它開(kāi)始向輸出端 “倒水”，也就是釋放電荷。

因?yàn)橹半娙?C1 已經(jīng)被充電到輸入電壓，現(xiàn)在它把這些電荷釋放到輸出端，就相當(dāng)于在原來(lái)輸入電壓的基礎(chǔ)上又疊加了一個(gè)輸入電壓的電荷，所以輸出電壓就變成了輸入電壓的兩倍。就好像原本有一個(gè)裝滿(mǎn)水的桶，把里面的水倒進(jìn)另一個(gè)已經(jīng)有同樣高度水的大水箱里，那么大水箱里水的高度就變成了原來(lái)的兩倍，這就是為什么電荷泵在這種工作模式下輸出電壓會(huì)變?yōu)檩斎腚妷簝杀兜脑颉?/p>

電荷泵的作用：

電壓轉(zhuǎn)換

升壓：能將較低的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的輸出直流電壓。例如，在一些手持設(shè)備中，電池電壓可能較低，但某些芯片或電路需要更高的電壓來(lái)工作，電荷泵就可以將電池電壓升高到所需的水平。

降壓：也可以實(shí)現(xiàn)將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓，不過(guò)這種降壓方式與傳統(tǒng)的線(xiàn)性降壓或開(kāi)關(guān)降壓有所不同，電荷泵通過(guò)特定的電容充電和放電模式來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓功能。

反相：可以將輸入電壓的極性反轉(zhuǎn)，即輸出與輸入電壓大小相等但極性相反的電壓。在一些需要正負(fù)電源的電路中，電荷泵可用于產(chǎn)生負(fù)電壓。

電源管理

提高電源效率：在某些情況下，尤其是對(duì)于小電流、低電壓的應(yīng)用，電荷泵的轉(zhuǎn)換效率較高。它通過(guò)電容存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，相較于一些線(xiàn)性穩(wěn)壓器，能減少功率損耗，提高電池等電源的使用效率，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

電源軌轉(zhuǎn)換：在復(fù)雜的集成電路中，不同的模塊可能需要不同的電源電壓。電荷泵可以將一個(gè)電源軌的電壓轉(zhuǎn)換為適合其他模塊工作的不同電壓，實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊在同一芯片上的協(xié)同工作，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的電源管理。

驅(qū)動(dòng)電路

為電容性負(fù)載提供電荷：電荷泵能夠?yàn)殡娙菪载?fù)載快速提供所需的電荷，例如驅(qū)動(dòng)液晶顯示器（LCD）的背光電路。LCD 的背光通常需要較高的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，電荷泵可以將系統(tǒng)電源電壓轉(zhuǎn)換為適合背光驅(qū)動(dòng)的高電壓，并提供足夠的電流來(lái)點(diǎn)亮背光燈。

驅(qū)動(dòng)功率器件：在一些功率電子電路中，電荷泵可用于驅(qū)動(dòng)功率晶體管等器件。通過(guò)提供適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1518495.html">柵極驅(qū)動(dòng)電壓，使功率器件能夠正常導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制功率的傳輸和轉(zhuǎn)換。

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