使用电荷泵驱动电路-第 4 部分

在结束这个关于电荷泵的简短系列文章时，我想给你一些电路想法，让你思考一个基本的电荷泵电路作为一个适用于广泛应用的构建块。如果我们的应用程序需要一个非标准的解决方案，那么我们很有可能可以将几个简单的组件拼凑在一起。

目前实用的电荷泵的主要不是则是很难实现大功率、高电压应用，在这些方面，目前电感式开关DC-DC转换器还有着无可比拟的优势。具体而言，电荷泵目前主要的用途如下：

小功率倍压、电压反转应用，典型的应用如单电源的5V、3V系统为RS232等串行系统提供±12的信号电平。

倍压应用，目前主流应用是驱动LED尤其白光LED，在电池供电的手机、数码相机等领域，为LED背光照明和LED闪光灯提供合适的电源。另一个很广泛的应用是为EEPROM和flash存储器提供读写电源，这些存储器IC的电源轨一般是1.8V、3.3V，而读取需要+5V，擦写需要12V，将电荷泵集成到这些存储器IC中，就可以实现单一电源供电。

电荷泵的基本原理是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。我们形象地把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒进一个大水箱[8]。电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容，而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器（直流变换器）。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(1/2,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。

电荷泵的每一级都会将输出电压增加大约开关波形的幅度。如果我们想要更高（或者，在反相电荷泵的情况下，更负）输出电压，我们可以级联多个电荷泵级（参见图 1）。

图 1：级联多个电荷泵级

我们还可以组合受监管和不受监管的电荷泵级。图 2 显示了这样一个电路，其中可以在大约 15V 和 30V 之间调节输出电压。

图 2：带有额外非稳压级的稳压电荷泵

电荷泵电路在充电阶段使用直流电压来设置飞跨电容器的电压。如果我们有它们可用，我们可以在充电阶段使用不同的电压作为电源，以提高转换效率或扩展输出电压范围。

图 3 显示了一个电路，该电路使用 5V 输入电压从 15V 升压转换器产生大约 19.3V 的输出电压。

图 3：高效电荷泵

图 4 显示了使用 –5V 电源从 5V 升压转换器产生 –9.3V 的电路。

图 4：高效反相电荷泵

图 5 显示了一个漂亮的小电荷泵电路，它采用了 Dickson 乘法器。这使用反相开关波形来减少所需的开关级数。在此应用中，标准逻辑门生成 5V 矩形波形，用于驱动电荷泵电路以生成大约 18V 的输出电压（尽管具有低电流能力）。

图 5：在 Dickson 乘法器电路中使用逻辑门

电荷泵电路有时用于在 DC/DC 转换器电路中产生自举电源，如图 6 所示。在该电路中，连接到开关节点的电容器会产生高于电源电压的电压，从而可以使用用于高端开关的 N 沟道 FET。N 沟道 FET 比等效的 P 沟道器件小，从而提高了性能或降低了成本（或两者的某种组合）。请注意，图 6 中所示的布置仅在开关节点切换时有效，因此它往往仅用于以强制 PWM 工作的转换器。

图 6：DC/DC 转换器自举电容器

电荷泵是我们军械库中的有用电路。它们成本低、简单且灵活。许多电路已经具有可用于驱动电荷泵的合适时钟信号，我们所需要的只是一个合适的驱动级。对于要求更高的应用，TI 提供了一系列专用电荷泵器件，这些器件的性能甚至优于自制电荷泵所能达到的性能。