電荷泵是一種增加或反轉(zhuǎn)DC電壓的技術(shù)。例如，+5V可以轉(zhuǎn)換為+10V或-5V(或更高/更低的值)。與…相比升壓轉(zhuǎn)換器電荷泵需要更少的元件和更少的PCB空間，并且更便宜;然而，電荷泵的局限性在于它們只能提供相對(duì)少量的電流。由于低電流限制，電荷泵最適合信號(hào)(通信)或驅(qū)動(dòng)LCD背光等應(yīng)用。歷史上，一個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用是產(chǎn)生+3V至+15V和-3V至-15V的RS232通信收發(fā)器(如MAX232)。

理論

電荷泵的工作原理非常簡(jiǎn)單。關(guān)于電，我們學(xué)到的第一件事是，如果我們將電池串聯(lián)，那么它們的電壓就會(huì)相加。

另一個(gè)電學(xué)基礎(chǔ)是電容器就像小電池。

如果我們可以用一個(gè)電壓源給一個(gè)電容器充電，然后迅速將其與電壓源串聯(lián)重新定位，那么我們就可以使電壓加倍(與串聯(lián)添加電池增加其電壓的方式相同)。在電路中，重新定位可以通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)完成——機(jī)械開(kāi)關(guān)(物理開(kāi)關(guān)或電磁繼電器)或固態(tài)開(kāi)關(guān)(晶體管/二極管)。

就產(chǎn)生負(fù)電壓而言，這只是重新定位電容器的情況，使得其正充電端子連接到電壓源的負(fù)端子。

該原理也可以被縮放，因?yàn)槿我鈹?shù)量的電容器可以在電壓源處被并聯(lián)充電，然后被重新放置在堆疊中。

電荷泵原理圖

在原理圖上，上述配置可以按如下方式完成：

(截圖是在切換的瞬間后稍微捕捉到的，此時(shí)電容已經(jīng)稍微放電了。)

電壓反轉(zhuǎn)看起來(lái)如下：

當(dāng)然，如果有任何負(fù)載，則電容器將立即開(kāi)始放電，因此有必要在并聯(lián)和串聯(lián)配置之間不斷地來(lái)回切換電容器，以便保持對(duì)其再充電。

為了在開(kāi)關(guān)時(shí)保持輸出電壓相對(duì)恒定，我們可以在輸出端增加一個(gè)電容。

這在一定程度上平滑了輸出。

然而，讓某人來(lái)回?fù)軇?dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)運(yùn)行電荷泵顯然是不實(shí)際的，并且為了用合理尺寸的電容器保持相對(duì)穩(wěn)定的輸出電壓，需要非?？焖俚拈_(kāi)關(guān);因此需要快速時(shí)鐘信號(hào)來(lái)運(yùn)行切換。

時(shí)鐘電荷泵

在上述電路中，MC34063降壓轉(zhuǎn)換器用于將25V降壓至5V。開(kāi)關(guān)晶體管集成在控制器內(nèi)部，因此不需要外部晶體管?？刂破魇褂梅答侂娮鑂2/R3監(jiān)控輸出電壓，并在負(fù)載上保持恒定的輸出電壓。

給定一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，我們可以將該信號(hào)連接到電容的負(fù)極，并通過(guò)二極管將電容的正極連接到正電壓源。

當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為低電平(0V)時(shí)，電容器將通過(guò)二極管充電至正電源電壓(減去二極管上的電壓降)。

當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平(電源電壓，本例中為+1.5V)時(shí)，存儲(chǔ)在充電電容中的電壓將被添加到其負(fù)引腳的電壓之上，從而產(chǎn)生雙倍的輸出電壓。

(二極管防止電容器放電至電源電壓。)

結(jié)果是時(shí)鐘電壓加倍。

為了平滑輸出電壓，我們可以在輸出端增加另一個(gè)電容和一個(gè)二極管，以防止它在時(shí)鐘周期的低相位反向放電。

我們現(xiàn)在有一個(gè)非常平滑的輸出電壓。

由于二極管上的壓降(1.5V對(duì)于電源電壓來(lái)說(shuō)非常低，二極管上的壓降相對(duì)較大，對(duì)于5V/9V/等電源電壓來(lái)說(shuō)相對(duì)較小)以及現(xiàn)實(shí)世界電子元件的非理想特性(如內(nèi)阻)，平滑后的輸出電壓并不是輸入電壓的兩倍，但它會(huì)大幅提升至電源電壓以上，我們可以通過(guò)調(diào)整原理和增加更多泵級(jí)來(lái)進(jìn)一步提升。

迪克森電荷泵

增加額外的泵級(jí)需要反相時(shí)鐘。使用簡(jiǎn)單的N-MOSFET和上拉電阻可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘反轉(zhuǎn)：

然而，這僅適用于較高的電源電壓，因?yàn)榈湫蚇-MOSFET的柵極閾值電壓約為2.1V，所以此時(shí)我們將切換到+5V電源。

我們將反相時(shí)鐘連接到第2級(jí)電容的負(fù)極：

讓我們分析一下這是如何工作的(為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，忽略二極管/晶體管上的壓降)。

最初，時(shí)鐘為低電平，第1級(jí)電容充電至電源電壓(+5V)。第2級(jí)電容還沒(méi)有充電，因?yàn)樗恼?fù)引腳上都有電源電壓。

接下來(lái)，時(shí)鐘變?yōu)楦唠娖?，第二?jí)充電至+10V，與之前一樣。

現(xiàn)在，時(shí)鐘再次變低，導(dǎo)致反相時(shí)鐘變高，并將現(xiàn)在充電的第2級(jí)電容升壓至電源電壓的3倍(+15V)。

同樣，由于二極管和非理想真實(shí)元件上的壓降，輸出電壓不完全是+15V，但肯定是電源電壓的兩倍以上。

這個(gè)過(guò)程可以被鏈接和縮放，以產(chǎn)生任意高的輸出電壓

這種類型的電荷泵拓?fù)浔环Q為Dickson電荷泵。

馬克思發(fā)生器

另一個(gè)有趣的設(shè)計(jì)是馬克思發(fā)生器：

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，火花隙被用作開(kāi)關(guān)。火花隙是相隔一定距離放置的導(dǎo)體，一旦它們之間的電壓高于絕緣體擊穿電壓(空氣中約為30kV/cm)，就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電。一旦所有并聯(lián)電容器被充電，通過(guò)觸發(fā)第一火花隙，火花隙上的連鎖反應(yīng)被啟動(dòng)。使用這種技術(shù)，可以產(chǎn)生幾十萬(wàn)伏的電壓。

將我們的思維轉(zhuǎn)回普通的電子學(xué)，值得一提的是，有一些方便的集成電路(IC)可以簡(jiǎn)化在設(shè)計(jì)中添加電荷泵的過(guò)程——只需要一個(gè)電源電壓和兩個(gè)電容——例如工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TC7660。

還提供更先進(jìn)的電荷泵IC，通過(guò)仔細(xì)控制驅(qū)動(dòng)電荷泵的時(shí)鐘，同時(shí)仔細(xì)監(jiān)控輸出電壓，這些IC可以輸出相對(duì)精確的調(diào)節(jié)電壓。

總之，電荷泵為不需要大電流輸出的升壓或反相提供了一種有趣而緊湊的低成本選擇。