電荷泵電壓反轉器是一種DC/DC變換器，它將輸入的正電壓轉換成相應的負電壓，即VOUT= -VIN。另外，它也可以把輸出電壓轉換成近兩倍的輸入電壓，即VOUT≈2VIN。由于它是利用電容的充電、放電實現電荷轉移的原理構成，所以這種電壓反轉器電路也稱為電荷泵變換器（Charge Pump Converter）。

電荷泵的應用

電荷泵轉換器常用于倍壓或反壓型DC-DC 轉換。電荷泵電路采用電容作為儲能和傳遞能量的中介，隨著半導體工藝的進步，新型電荷泵電路的開關頻率可達1MHz。電荷泵有倍壓型和反壓型兩種基本電路形式。

電荷泵電路主要用于電壓反轉器，即輸入正電壓，輸出為負電壓，電子產品中，往往需要正負電源或幾種不同電壓供電，對電池供電的便攜式產品來說，增加電池數量，必然影響產品的體積及重量。采用電壓反轉式電路可以在便攜式產品中省去一組電池。由于工作頻率采用2～3MHz，因此電容容量較小，可采用多層陶瓷電容（損耗小、ESR 低），不僅提高效率及降低噪聲，并且減小電源的空間。

雖然有一些DC/DC 變換器除可以組成升壓、降壓電路外也可以組成電壓反轉電路，但電荷泵電壓反轉器僅需外接兩個電容，電路最簡單，尺寸小，并且轉換效率高、耗電少，所以它獲得了極其廣泛的應用。

目前不少集成電路采用單電源工作，簡化了電源，但仍有不少電路需要正負電源才能工作。例如，D/A 變換器電路、A/D 變換器電路、V/F或F/V 變換電路、運算放大器電路、電壓比較器電路等等。

自INTERSIL公司開發出ICL7660電壓反轉器IC后，用它來獲得負電源十分簡單，90 年代后又開發出帶穩壓的電壓反轉電路，使負電源性能更為完善。對采用電池供電的便攜式電子產品來說，采用電荷泵變換器來獲得負電源或倍壓電源，不僅僅減少電池的數量、減少產品的體積、重量，并且在減少能耗（延長電池壽命）方面起到極大的作用。現在的電荷泵可以輸出高達250mA的電流，效率達到75%(平均值)。

電荷泵大多應用在需要電池的系統，如蜂窩式電話、尋呼機、藍牙系統和便攜式電子設備。便攜式電子產品發展神速，對電荷泵變換器提出不同的要求，各半導體器件公司為滿足不同的要求開發出一系列新產品，本文將作一個概況介紹。

電荷泵的分類

電荷泵可分為：

· 開關式調整器升壓泵，如圖1(a)所示。

· 無調整電容式電荷泵，如圖1(b)所示。

· 可調整電容式電荷泵，如圖1(c)所示。

圖1 電荷泵的種類

電荷泵工作過程

3 種電荷泵的工作過程均為：首先貯存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。開關式調整器升壓泵采用電感器來貯存能量，而電容式電荷泵采用電容器來貯存能量。

電荷泵的結構

電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現電壓提升，采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的，但需要外部電容器。由于工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容(1mF)，使空間占用小，使用成本低。

電荷泵僅用外部電容即可提供±2 倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的ESR(等效串聯電阻)和內部開關晶體管的RDS(ON)。電荷泵轉換器不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它的輸出電壓是工廠生產精密預置的,調整能力是通過后端片上線性調整器實現的，因此電荷泵在設計時可按需要增加電荷泵的開關級數，以便為后端調整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應用產品的設計。從電容式電荷泵內部結構來看,如圖2 所示它實際上是一個片上系統。

圖2 電容式電荷泵內部結構

作為一個設計工程師選用電荷泵時必然會考慮以下幾個要素：

1. 轉換效率要高

無調整電容式電荷泵 90%

可調整電容式電荷泵 85%

開關式調整器 83%

2. 靜態電流要小，可以更省電；

3. 輸入電壓要低，盡可能利用電池的潛能；

4. 噪音要小，對手機的整體電路無干擾；

5. 功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機設計更小巧；

6. 足夠的輸出調整能力，電荷泵不會因工作在滿負荷狀態而發燙；

7. 封裝尺寸小是手持產品的普遍要求；

8. 安裝成本低，包括周邊電路占PCB 板面積小，走線少而簡單；

9.具有關閉控制端，可在長時間待機狀態下關閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。

審核編輯：郭婷