实用电源管理技术中几种基本电荷泵电路结构

吴娟 重庆电子工程职业学院

在电源管理电路中，常常需要将可用的直流电源转换为较低或较高的直流电压。对于高电压到低电压的转换，可以采用LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器），但是如何轻松地将较低的电压转换为较高的电压呢？这就可以借助于电荷泵了。电荷泵由于其功耗低、结构简单、易于集成，广泛应用于电源管理芯片中。电荷泵又称为电容式开关电源，通过控制电容的充放电实现升压、降压以及反转电压的功能。本文对实用电源管理技术中几种常用的基本电荷泵电路结构做具体介绍。

一、升压式电荷泵

图1 升压式电荷泵结构

图1 所示为升压式电荷泵结构，由四个开关S1、S2、S3 和S4 以及电容C 组成。在电源管理芯片中，开关一般是快速MOSFET （Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管）开关管构成的。在图1 中，开关S1 和S3 同时导通，开关S2 和S4 同时导通，且S1 和S3导 通 时，S2 和S4 断 开；S2 和S4 导 通 时，S1 和S3 断开；即它们交替导通。工作原理分析如下：

（一）当S1 和S3 导通，S2 和S4 断开时

电容C 被电源VIN充电，并充电至其两端电压达到VIN。

（二）当S2 和S4 导通，S1 和S3 断开时

由于电容C 两端的电压不能突变，保持为VIN，电荷泵的输出电压VO为：

VIN为电荷泵的输入电压，UC为电容C的电压，由式（1）可知电荷泵的输出电压是输入电压的两倍，故图1 所示电路为两倍增益的升压式电荷泵。

二、降压式电荷泵

电荷泵除了能提供升压的功能，还具备降压的功能。降压式电荷泵，由四个开关S1、S2、S3 和S4 以及输入电容CIN、电容C、输出电容Co 组成。同样地，开关S1 和S3 同时导通，开关S2 和S4 同时导通，它们交替导通。工作原理分析如下：

（一）当S1 和S3 导通，S2 和S4 断开时

电容C 和Co 为串联关系，它们被电源VIN 充电，满足以下公式：

式（2）中，VIN为电荷泵的输入电压，Vo 为电荷泵的输出电压，UC 为电容C 的电压，为电容CO的电压。

（二）当S2 和S4 导通，S1 和S3 断开时

电容C 和Co 为并联关系，且电容C 和Co 两端的电压不能突变，满足：

结合式（1）和式（2），可以得到：

所以输出电压为输入电压一半的降压式电荷泵。

三、电荷泵反转器

电荷泵除了能实现升压和降压的功能外，它还能完成输出电压变为与输入电压相反极性的功能，图2 所示为由电荷泵组成的电压反转器。

图2 电荷泵电压反转器

如图2 所示，电荷泵电压反转器由振荡器、反相器以及四个开关、两个电容C1 和C2 组成。振荡器输出的脉冲直接控制开关S1 及S2；此脉冲经反相器反相后控制开关S3 及S4。当S1、S2 闭合时，S3、S4 断开；S3、S4 闭合时，S1、S2 断开。工作原理分析如下：

（一）当S1 和S2 导通，S3 和S4 断开时

电容C1 被VIN充电至VIN，即：

式（5）中VIN为电荷泵输入电压，UC1为电容C1 的电压。

（二）当S3 和S4 导通，S1 和S2 断开时

电容C1 向C2 放电，可以分析得到：

Vo 为电荷泵输出电压，UC2为电容C2的电压，由式（6）可知，电荷泵的输出电压为输入电压的反转。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或多组电池，构成多组正负电源电压，同时，由于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。

四、结论

电荷泵具备简单性、低成本、无需电感、较小的PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）空间、能提供降压、升压和反相电压等优点，在电源管理技术中必不可少。如今，许多IC（Integrated Circuit，集成电路）、微处理器以及EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，带电可擦可编程只读存储器）都需要多个电源，这些都可以通过电荷泵来提供所需要的电源电压。