什么是电荷泵电压反转器

电荷泵电压反转器，作为一种DC/DC变换器，独具特色。它能够将输入的正电压轻松转换为相应的负电压，实现VOUT= -VIN的转换效果。同时，该反转器还能将输出电压提升至近两倍的输入电压，即VOUT≈2VIN。其工作原理基于电容的充电与放电，从而实现电荷的有效转移。因此，这种电压反转器电路也被称为电荷泵变换器。电荷泵的应用广泛，特别是在倍压或反压型DC-DC转换方面。通过电容作为储能和传递能量的关键组件，电荷泵电路能够在半导体工艺的推动下，达到高达1MHz的开关频率。此外，电荷泵电路还分为倍压型和反压型两种基本形式，以满足不同的电压转换需求。

在便携式电子产品中，电压反转器显得尤为重要。由于这些产品往往需要正负电源或多种不同电压供电，而增加电池数量又会直接影响产品的便携性。此时，采用电压反转式电路便可以在节省一组电池的同时，保持产品的轻便性。其工作频率在2～3MHz之间，使得电容容量得以减小，从而可以采用多层陶瓷电容(损耗小、ESR低)，进一步提升效率、降低噪声并减小电源所需空间。

尽管市面上存在其他DC/DC变换器也能组成升压、降压或电压反转电路，但电荷泵电压反转器以其外接电容数量最少、电路最简洁、尺寸小巧以及高转换效率、低耗电等特点，赢得了广泛的应用。目前电荷泵广泛应用于手机、蓝牙设备和电池供电系统等，它能够满足这些设备的多种电压转换需求，同时优化功耗与空间设计。自INTERSIL公司推出ICL7660电压反转器IC以来，获取负电源变得简单许多。90年代后，更是出现了带稳压的电压反转电路，进一步优化了负电源的性能。对于采用电池供电的便携式电子产品而言，电荷泵变换器在提供负电源或倍压电源方面表现出色，不仅能减少电池数量，还能减小产品的体积和重量，同时在节能方面也发挥着重要作用。现今的电荷泵能输出高达250mA的电流，效率平均可达75%。

电荷泵分为开关系统升压泵、无调整电容式和可调整电容式，各具特定工作模式，具体选择依据效率、电流需求和应用环境而定。容式电荷泵通过一个复杂的系统实现电压提升，包括开关阵列、振荡器、逻辑电路和比较控制器。它利用电容器来储存能量，无需电感，但需外部电容器支持。由于工作在高频，因此可以采用小型陶瓷电容(1mF)，既节省空间又降低成本。

电荷泵仅需外部电容即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要源于电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS(ON)。由于不使用电感，其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可以通过一只小型电容进行滤除。输出电压在工厂生产时已进行精密预置，后端片上的线性调整器负责调整。设计时，可以根据需要增加电荷泵的开关级数，为后端调整器提供充足的操作空间。

电荷泵是一种利用电容性质来进行电压升高的电路，它可以将一个低电压的直流电源转换成一个高电压的直流电源，这个高电压可以达到几百伏甚至更高。在数字电路和模拟电路中，电荷泵常常被用作升压电路，以提供更高的电压供电，从而使电路更加稳定和可靠。电荷泵的基本工作原理是利用电容储存电荷的特性来进行电压升高。通常情况下，电荷泵由两个电容和两个开关管组成。当开关管被打开时，电容会被充电，电荷会被储存在电容中;当开关管被关闭时，电容会被连接起来，将电荷从一个电容传递到另一个电容中。这样就可以将一个低电压的电源不断地通过电容间的电荷转移，逐步升高电压，实现升压的目的。通常情况下，电荷泵可以通过串联多个电容和开关管的方式来实现更高的电压升高倍数。除了用作升压电路外，电荷泵还可以用于其他一些应用，例如振荡电路、频率锁定电路、数字电路中的电源电压转换等。在某些特殊的应用场合，电荷泵还可以用于产生高压脉冲或者高压直流电场，例如在科学实验中的高压电场实验、电子枪或离子源等高能物理实验中的粒子加速器，或在雷达和通信设备中产生高频高压信号等。

需要注意的是，由于电荷泵的工作原理是基于电容充电和放电的，因此在实际应用中需要注意其频率响应和功率损耗等问题，以确保电路稳定性和效率。同时，电荷泵还会带来一些问题，例如输出波形的纹波、电源电流的大幅度变化等，这些问题需要根据具体的应用场合进行处理和解决。在数字电路中，电荷泵经常被用作升压电路，以提供更高的电压供电。例如，在一些低电压数字电路中，如果需要使用高电压来驱动其他设备或器件，这时候就可以使用电荷泵来提供所需的高电压。另外，在一些需要工作在高电压环境下的器件中，例如显示屏和LED灯等，也常常使用电荷泵来提供所需的电压。

电荷泵的实现方式有多种，其中比较常见的有单倍压电荷泵、倍压电荷泵和反相电荷泵等。单倍压电荷泵通常由两个电容和两个开关管组成，通过交替连接电容来实现电压升高;倍压电荷泵在单倍压电荷泵的基础上增加了一个反向电压输出电容，可以实现电压翻倍;反相电荷泵则是利用反相输入的原理，通过交替充放电容实现电压升高。电荷泵的优点是可以将低电压电源升高到需要的电压水平，这对于某些应用来说是非常有用的。此外，电荷泵还具有简单、可靠、低成本的特点，使得它在数字电路中被广泛应用。总的来说，电荷泵是数字电路中的一种升压电路，利用电容性质实现电压升高。它不仅可以提供高电压供电，还可以用于其他应用场合，例如振荡电路、频率锁定电路等。电荷泵具有简单、可靠、低成本的特点，在数字电路中被广泛应用。然而，在实际应用中需要注意其频率响应和功率损耗等问题，以确保电路稳定性和效率。

除了以上提到的实现方式，电荷泵还有其他变种和扩展应用。例如，它可以与多种其他电路结合使用，例如运放、晶体管、场效应晶体管等，来实现更复杂的电路功能。此外，电荷泵还可以在可编程逻辑电路(FPGA)和集成电路中使用，来实现升压或降压等功能。

然而，电荷泵也存在一些问题和限制。由于其基于电容性质工作，因此电荷泵电路中的电容器必须能够承受高电压，这可能会增加成本和复杂度。此外，电荷泵在工作时会消耗一定的电流，因此在电池供电的应用中需要注意功率消耗和电池寿命等问题。另外，电荷泵还存在频率响应和效率等问题，特别是在高频率下，电路效率可能会下降。

综上所述，电荷泵是一种在数字电路中广泛应用的升压电路，其基本原理是利用电容性质实现电压升高。电荷泵具有简单、可靠、低成本等优点，可以提供所需的高电压供电，同时也可以用于其他应用场合。然而，在实际应用中需要注意电路稳定性、功率损耗、频率响应等问题，以确保电路的正常工作和效率。

电荷泵转换器常用于倍压或反压型DC-DC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。

电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，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电池。由于工作频率采用2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容(损耗小、ESR 低)，不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。

虽然有一些DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但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。目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能工作。例如，D/A 变换器电路、A/D 变换器电路、V/F或F/V 变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自INTERSIL公司开发出ICL7660电压反转器IC后，用它来获得负电源十分简单，90 年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗(延长电池寿命)方面起到极大的作用。现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流，效率达到75%(平均值)。