1、電荷泵原理

電荷泵的基本原理是，電容的充電和放電采用不同的連接方式，如并聯(lián)充電、串聯(lián)放電，串聯(lián)充電、并聯(lián)放電等，實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、負(fù)壓等電壓轉(zhuǎn)換功能。

上圖為二倍升壓電荷示，為最簡(jiǎn)單的電荷泵電路。V2輸出為方波信號(hào)，當(dāng)V2為低電平的時(shí)候，V1通過D1、C1、V2對(duì)電容C2充電，C2兩端電壓上正下負(fù);當(dāng)V2為高電平輸出的時(shí)候，V2輸出電壓與C1兩端電壓相疊加，通過D3對(duì)負(fù)載供電并對(duì)C2充電。如果忽略二極管壓降，則C2兩端電壓Vo=V2+V1，其中V2為電壓源V2的高電平輸出電壓。

由于電荷泵整個(gè)工作過程的核心部分為電容充放電過程，所以最重要的公式為電容充放電公式：I*T=ΔV*C，其中T為電容充放電周期，ΔV為每個(gè)充放電周期內(nèi)電容兩端電壓波動(dòng)，I為充放電電流。

電荷泵以非常簡(jiǎn)單的電路可以實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、負(fù)壓等功能，所以各種不同的場(chǎng)合為電路擴(kuò)展小功率電路。

2、電荷泵在電路中的作用

1.功率電路中的電荷泵

電荷泵的一個(gè)非常廣泛的用途就是在由N溝道MOSFET構(gòu)成的半橋電路中為上橋臂提供浮驅(qū)電壓。典型接法如下圖所示，圖中紅框內(nèi)的二極管D及電容Cboot與主電路中半橋的下橋臂T1構(gòu)成電荷泵。當(dāng)半橋的下臂T1開通時(shí)，Vcc通過D與T1為電容Cboot充電;當(dāng)T1關(guān)斷T2導(dǎo)通時(shí)，Cboot為上臂T2提供MOSFET導(dǎo)通所必需的Vgs電壓。這是由于T2在電路中的位置所決定的，當(dāng)T2導(dǎo)通時(shí)，如果忽略導(dǎo)通壓降Vds，T2的源極電壓Vs=Vr，所以如果想要飽和導(dǎo)通，加上T2門極上的驅(qū)動(dòng)電壓需滿足Vg=Vr+Vgs，對(duì)于功率型N溝道MOSFET而言，Vgs通常需要15V左右。電荷泵以很少的元器件滿足了這一設(shè)計(jì)要求，所以在此類應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

雖然上圖中所述的自舉型電荷泵（采用半橋的下臂作為電荷泵的一部分）使電路設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際使用過程中有些限制，如對(duì)橋臂的開通時(shí)序和占空比有限制等。所以，在某些要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，采用他驅(qū)型的電荷泵，即將電荷泵電路及驅(qū)動(dòng)波形與主功率電路分離，采用外部電路構(gòu)成電荷泵。這樣的電路雖然結(jié)構(gòu)比自舉驅(qū)動(dòng)電路略微復(fù)雜一些，但克服了自舉驅(qū)動(dòng)電路的一些問題，在某些場(chǎng)合也得到較廣泛的應(yīng)用。

2.RS-232電平轉(zhuǎn)換中的升壓、負(fù)壓

電荷泵的另外一個(gè)極為廣泛的應(yīng)用就是為電平轉(zhuǎn)換芯片提供符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電源電壓。電平轉(zhuǎn)換芯片的供電通常為3.3V或者5V的單電源，而RS232電平標(biāo)準(zhǔn)要求，以-3~-15V表示邏輯電平“1”，以+3~+15V表示邏輯電平“0”，所以RS232轉(zhuǎn)換芯片不僅要完成電平轉(zhuǎn)換，還要提供符合要求的電源轉(zhuǎn)換。

下圖為RS232電平轉(zhuǎn)換芯片的典型結(jié)構(gòu)框圖，首先以一個(gè)升壓電荷泵將+3.3V或5V的輸入電源進(jìn)行二倍壓升壓，然后采用一個(gè)負(fù)壓電荷泵將二倍壓升壓后的電源輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。

3.電荷泵為電路供電

與基于電感的開關(guān)電源變換器相比，電荷泵具有尺寸小、EMI干擾較小等優(yōu)點(diǎn)，所以電荷泵被廣泛應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品中，為系統(tǒng)提供負(fù)的電源電壓。

將電荷泵與電壓基準(zhǔn)源相結(jié)合，能夠在單電源為系統(tǒng)供電的同時(shí)，獲得一個(gè)反相的基準(zhǔn)電源。如下圖所示，該電路不同于由三端基準(zhǔn)和運(yùn)放反向器構(gòu)成的反相基準(zhǔn)電壓源，不需要外加精密電阻和負(fù)電源即可獲得精密的負(fù)的電壓輸出。

4.基于電荷泵的LED驅(qū)動(dòng)電路

電荷泵驅(qū)動(dòng)器用來驅(qū)動(dòng)若干個(gè)相并聯(lián)的LED，其最大的優(yōu)勢(shì)是無須使用電感元件，具有LED亮度一致，尺寸小、成本低、噪聲低、輻射EMI小以及控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率比電感升壓變換器低，尤其是帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵的效率往往不足70%。另外，電荷泵不僅輸出電流受限制，而且所驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)量受封裝水平和引腳數(shù)量的限制，欲將12只以上的LED并聯(lián)應(yīng)用難度很大。

圖5基于電荷泵的LED驅(qū)動(dòng)器框圖

5.MAX1576電荷泵驅(qū)動(dòng)LED的電路

MAX1576電荷泵驅(qū)動(dòng)LED的電路如圖6所示。MAX1576是美信公司生產(chǎn)的一種用于照相手機(jī)背光照明和閃光燈的電荷泵白光LED驅(qū)動(dòng)器IC，提供軟啟動(dòng)、輸出過壓保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)、自適應(yīng)（1倍、1.5倍、2倍）模式切換以及靈活的亮度控制等功能，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)白光LED。

基本的電荷泵缺少調(diào)整電路，因此實(shí)際上當(dāng)今所有使用的電荷泵IC都增加線性調(diào)整或者電荷泵調(diào)制。線性調(diào)整的輸出噪音最低，并且可以在更低的效率情況下提供更好的性能。在電源電路中電荷泵電路的主要作用是負(fù)責(zé)生成芯片所需要的各種中、高去驅(qū)動(dòng)電壓和工作電壓。

在圖6中，用于背光照明的4個(gè)LED的電流均為30mA，用作閃光燈的4個(gè)LED的電流均為100mA（總電流為400mA）。通過使用自適應(yīng)模式電荷泵和超低壓差電流調(diào)節(jié)器，驅(qū)動(dòng)電路能在單節(jié)鋰離子電池的整個(gè)電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)85%的高效率。由于MAX1576在1MHz的固定開關(guān)頻率下工作，僅需要使用非常少的外部元件，并確保低EMI和低輸入電壓紋波。

MAX1576使用兩個(gè)外部電阻RSETM和RSETF設(shè)置主LED等和閃光燈LED的最大電流（100%）。引腳ENM1和ENM2可將主背光照明LED的電流設(shè)置為最大電流的10%、30%或100%。引腳ENF1和ENF2可將閃光燈LED的電流設(shè)置為最大電流的20%、40%或100%。若將每一對(duì)控制引腳連接在一起，可以實(shí)現(xiàn)單線、串行脈沖亮度控制（5%-100%）。

圖6MAX1576電荷泵驅(qū)動(dòng)LED的電路