新一代IC與無源元件改進相結合，使電荷泵電壓轉換成為許多應用中的青睞方法。在許多情況下，早期的電荷泵被認為不合適或只能接受妥協。例如，具有寬松精度、低負載電流、高噪聲容限和最低效率需求的應用可以從電荷泵的低成本、更小的尺寸、更簡單的電路以及（當然）無電感操作中受益。

當今的電荷泵IC滿足便攜式系統的苛刻要求，具有更高的精度、更高的輸出電流、敏感RF應用可接受的輸出噪聲水平，以及與某些基于電感器的設計相當的電池壽命。以下討論比較了幾種IC電荷泵設計，介紹了“無電感”電源應用，并提供了元件選擇指南。

簡短的入門

術語“電荷泵”是指使用電容器而不是電感器或變壓器來存儲和傳輸能量的一種DC-DC電壓轉換器。電荷泵（通常稱為開關電容轉換器）包括對一個或多個電容進行充電和放電的開關或二極管網絡。電荷泵電路最引人注目的優點是沒有電感。

為什么要避免使用電感器？與電容器相比，它們的采購來源更少，標準規格和尺寸更少，元件高度更高，EMI更高，布局靈敏度更高，成本更高。（否則，它們很棒。新一代電荷泵IC即使使用通常用于旁路電源的低成本陶瓷電容器也能提供令人滿意的操作。

基本電荷泵可以在帶有模擬開關的IC中實現，也可以在帶有二極管的分立元件電路中實現（圖1）。在IC版本中，開關網絡在充電和放電狀態之間切換，在分立版本中，時鐘波形通過二極管驅動充電和放電狀態。在這兩種情況下，“跨接電容器”（C1）穿梭電荷，“儲能電容器”（C2）保持電荷并濾除輸出電壓。您可以根據需要擴展和修改此方案，以增加調節、降低噪聲、獲得更高的輸出電壓等。

圖1.基本電荷泵提供電壓倍增或反轉。它可以通過片上開關 （a） 或分立二極管 （b） 來實現。

雖然電荷泵通常用作小型電路模塊或接口IC等單個組件的電源，但它們尚未被廣泛用作系統電源。然而，這種用途正在發生變化：電荷泵的輸出電流能力在增加，而便攜式設計所需的電源電流在下降。例如，在圖2中，IC1電荷泵由AA或AAA堿性電池、NiCd或NiMH電池或單節一次鋰電池供電時，可在100.3V時產生3mA電流。

圖2.這款具有線性穩壓器的電荷泵升壓轉換器采用兩節電池輸入提供 200mA/3.3V 電流，采用 2 節電池輸入提供 150mA 電流/5V 電流。

圖2電路在輸入電壓低至2.2V時可保持3.3V輸出。對于≥2.4V的輸入，它可以提供超過200mA的短期負載。對于輸入低至 3V 的 5V 系統，類似的設計加上 5V 線性穩壓器在由 3 節堿性電池、NiCd 或 NiMH 電池或一塊可充電鋰電池供電時可提供 150mA 電流。當電池電壓較高時，兩個電路的效率從近80%（低VIN）到略高于50%（兩節電池為3.2V，三節電池為4.8V）不等。

內部調節電荷泵

圖2電路通過在外部增加一個穩壓器，克服了電荷泵缺乏穩壓的問題。如果負載電流適中，另一種選擇是在芯片上增加調節。單片芯片中的調節通常通過線性調節或電荷泵調制來實現。線性調節提供最低的輸出噪聲，因此在（例如）用于RF放大器的GaAsFET偏置電路中提供更好的性能。電荷泵調制（控制開關電阻）為給定的芯片尺寸（或成本）提供更多的輸出電流，因為IC不需要包括串聯調整管。

圖3所示電路在主電源和后備電源中都很有用。它產生一個穩定的 5V 輸出，負載電流為 20mA，輸入范圍為 1.8V 至 3.6V。對于不低于3V的輸入電壓，輸出電流可以達到50mA。轉換效率（圖4）接近等效的低成本電感電路。注意輸入電壓的變化：效率在VIN = 3V附近表現出階躍變化，其中電荷泵在其電壓三倍器和倍壓器工作模式之間自動切換。對于倍頻或三倍操作的每個“區域”，效率最高，最低VIN值。在每個區域內，效率隨著VIN損耗的增加而降低：

Power lost = IOUT x [(2 or 3)VIN - VOUT].

圖3電路無需線性調整元件即可實現穩壓，但其損耗與饋入線性穩壓器的未穩壓倍頻器或三倍頻器相同！這一令人驚訝的結果是，每當泵浦電容器在一個開關周期內改變電壓時，就會發生不可避免的損耗。考慮兩個1μF電容，一個充電至1V，一個充電至0V。它們的總儲存能量為：

1/2CV2= 1/1（<>μF）（<>V2） + 1/0（<>μF）（<>V2） = 0.5μ庫侖。

并聯連接它們可將每個充電至 0.5V，因此新的總數為：

1/0（5μF）（<>.<>V2） + 1/0（5μF）（<>.<>V2） = 0.25μ庫侖。

因此，從1V到0.5V（50%）的能量損失與固定V的預期能量相同外倍頻器或三倍器，后接線性穩壓器。在圖3中，通過在倍頻和三倍操作之間自動切換來優化效率，從而最大限度地減少ΔV變化。

圖3.該IC包含一個具有輸出調節功能的多開關升壓轉換器。電路雙倍或三倍 V在以最大限度地提高效率。開關控制信息被反饋以保持輸出調節。

圖4.效率/V 的不連續性外圖3中的曲線出現在內部電荷泵在電壓倍增和三倍之間切換時。

工作電流

許多基于電容器的電壓轉換器提供極低的工作電流，這在負載電流通常較低或大部分時間都很低的系統中非常有用。因此，對于較小的手持產品，在確定電池壽命時，輕負載工作電流可能比滿載效率重要得多。在此類產品中，“關斷”狀態并非完全關斷，而是掛起或休眠狀態，其中所需的電源電流（例如μP和存儲器）可能為100μA或更低。如果電源本身消耗相當的電流，則電池壽命會直接影響。

電荷泵IC的電源電流通常與其工作頻率成正比。您可以通過以盡可能低的頻率運行來最小化電流消耗，但代價（對于較舊的電荷泵 IC）是更高的紋波電壓，更少的 I外能力，以及對更大價值的泵浦電容器的需求。一些IC提供引腳可設置的工作頻率，以幫助進行這種權衡。

較新的電荷泵IC采用另一種技術（按需開關），可實現低靜態電流和高I。外同時的能力。因此，圖3系統集成了按需電路，可將空載電源電流降至75μA （典型值）。

雖然圖3的滿載效率（如圖4所示）低于大多數基于電感的設計，但其極低的工作電流可能會延長電池壽命。工作電流對電池壽命的影響取決于在掛起或睡眠狀態下花費的工作時間比例。例如，圖619所示的MAX3包括一個按需振蕩器，僅在輸出電壓低于5V時工作。由此產生的空載靜態電流僅為 75μA，該器件使用 50.0μA 泵浦電容器提供高達 22mA 的輸出電流。在為鋰紐扣電池產生備用電壓時，低工作電流也很重要。

閃存

非常適合電荷泵轉換的應用是為閃存芯片生成編程電壓。電荷泵方法為信用卡大小的產品提供了近乎理想的解決方案，其中元件高度受到嚴格限制，特別是如果它減少了電解電容器的數量或完全消除了電解電容器的數量。為此設計的IC（圖5）提供12V“V聚丙烯“電壓適合對閃存的 2 字節字進行編程。另一個IC（前面提到的MAX619）提供5V V聚丙烯適用于 5V 閃存設備。

圖5.該 IC 產生 V聚丙烯12V 閃存 （12V） 所需的編程電壓。V外針對 30mA 負載進行完全穩壓。

與其他類型的電壓轉換器相比，電荷泵可以在處理低電平信號或需要低噪聲操作的應用中提供卓越的性能。在某些情況下，電荷泵現在允許在唯一可行的解決方案是線性穩壓器的應用中進行電壓轉換。請注意，這些優勢并不適用于所有電荷泵。與基于電感的電路相比，一些缺點也變得明顯。

最直接的優點是消除了電感器或變壓器附帶的磁場和EMI。一個EMI源保留在電荷泵電路中，即當它連接到輸入源或另一個具有不同電壓的電容器時流向“跨接電容器”的高充電電流。瞬時電流僅受相關電容ESR和開關電阻的限制，可低至5Ω。除非電荷泵專為低噪聲工作而定制，否則這些高ΔI/Δt事件產生的噪聲只能通過后置濾波或大電容來消除。

低噪聲電荷泵轉換器的一個例子是MAX850（圖6）。該器件設計用于為 GaAsFET RF 功率放大器產生非常安靜的負偏置電壓，將反相電荷泵與低噪聲負輸出線性穩壓器相結合。MAX850工作在5VDC，具有高開關頻率（100kHz），允許使用小值外部電容。片內穩壓器將輸出紋波和噪聲降至僅 2mVP-P.對于開關電源來說，這種噪聲（圖7）非常低。

圖6.該GaAsFET偏置電源包含一個線性穩壓器，可將輸出噪聲限制在2mVP-P.

圖7.圖6電路的噪聲圖顯示低于2mV的噪聲P-P.

在高電流應用中采用的類似方法為高容量（2G字節及以上）硬盤驅動器中的磁阻讀寫磁頭提供低噪聲偏置。此類驅動器通常需要-3V（100mA），輸出噪聲和紋波不超過10mVP-P。泵輸出的開關瞬變再次排除了與 MR 頭前置放大器的直接連接，但您可以插入一個由三個晶體管構成的廉價且可維修的線性穩壓器（圖 8）。這種安排足以滿足大多數用途。然而，其輸出精度取決于 V在公差，因為（為簡單起見）V在作為監管機構的參考。輸出紋波和噪聲約為5mVP-P。

圖8.廉價但可維護的三晶體管電路為電荷泵IC增加了一個穩定的100mA、-3V輸出。

電容器選擇

與電荷泵設計相關的信息有時難以捉摸的是特定負載電流所需的最小電容值。對于大多數電荷泵IC，數據手冊建議僅使用一個或兩個電容值，但（通常）芯片可以在很寬的范圍內工作，尤其是在負載電流較低時。在大多數設計中，應指定提供可接受的輸出電壓、電流和紋波水平的最小電容值。這些量取決于開關頻率和開關電阻以及電容。

電容值對紋波和輸出電流的影響如圖9所示的1張圖表所示（表660進行了總結）。每張圖表包括五條曲線，補充了Maxim的三種常見電荷泵DC-DC轉換器（MAX860、MAX861和MAX<>）的數據資料信息：

MAX660，高頻模式（FC = V+），約40kHz

MAX860，高頻模式（FC = OUT），約100kHz

MAX860，中頻模式（FC = GND），約40kHz

MAX861，高頻模式（FC = OUT），約200kHz

MAX861，中頻模式（FC = GND），約90kHz

這些圖表表明，小型陶瓷電容器通常可以支持較低的負載電流。不斷發展的陶瓷電容器技術正在以更低的成本產生更高的價值，因此您現在可以從聯合化學（前身為Marcon）、Tokin、TDK和Murata Erie等制造商處以10.0美元的批量價格獲得30μF的陶瓷電容器。

圖9中每條曲線的頻率略低于數據手冊中的典型頻率，因為V在在低側指定：4.5V = 5V - 10%，3.0V = 3.3V - 10%。一些圖表顯示 2.0μF 時的電流高于 2.2μF 時的電流。這是因為 1μF 和 2μF 值是陶瓷芯片（帶 Z5U 電介質），而 2.2μF 以上的值是鉭類型（AVX TPS 系列）。通過加載輸出直到V來收集電流和紋波數據外達到表1所示值。（在較高的電容值下，紋波改善可以忽略不計。V外在較低的負載電流下較高，但 -（V外） 永遠不會超過 V在.

圖9.這些圖表（A-H）顯示了電荷泵電壓轉換器的工作頻率、電容值、工作電流和輸出電壓之間的關系。對于給定負載，數據可以選擇最小電容值和工作電流。

表 1.圖 9 中的圖形摘要

電荷泵技巧

當然，集成電荷泵的功率轉換早于為此目的使用分立電容器。電荷泵技術已在50Hz/60Hz交流線路電源中使用多年，也用于高壓乘法器以實現幾kV的輸出。CMOS模擬開關的使用使得只需很少的部件即可集成復雜的功能。另一個優點是，CMOS開關在低電流時表現出虛擬零壓降，而二極管開關上的最小壓降為0.6V。但是，在某些情況下，增加分立元件可以提高性能，即使在采用最新電荷泵IC的應用中也是如此。

通過增強雙輸出電荷泵IC和由分立二極管組成的額外升壓級，可以制造出5V至±20V的低功耗轉換器。此類電源可用于CCD電源、LCD偏置和變容二極管調諧器。MAX864本身可以從10V輸入產生±5V （減去負載比例損耗），或從6.6V輸入產生±3.3V。使用額外的二極管電容級（圖 10），這些輸出可以再次加倍至大約 ±4V在，或乘以 1.5 至約 ±3V在.請注意，外部二極管/電容網絡連接到C1以獲得±15V輸出，或連接到C2以獲得±20V輸出。

圖 10.通過使用外部二極管和電容器增強電路，可以從許多電荷泵IC獲得更高的輸出電壓。這些電路可提供高達 ±20V 的電壓。

圖11顯示了圖10中每個電路的輸出電壓與負載電流的關系，同時使用硅二極管（成本最低）和肖特基二極管（輸出最高）。這些電路可提供高達 20mA 的電流，而 1μF 濾波電容器產生的輸出紋波小于 100mV。如果需要，您可以使用稍大的電容器來大幅降低該電平。圖10中的IC設置為100kHz工作頻率，允許使用1μF電容，從而產生7mA的空載電源電流。您可以對較低頻率進行引腳編程，將電源電流降至600μA，但要實現圖11所示的輸出電流，您需要更大的10μF電容。

圖 11.這些圖表顯示 V外與我外圖10中的兩個電路。

通常，單級電荷泵轉換器不能產生大于其正輸入電壓的負輸出。要從8.2V至5.5V輸入實現-5V或更高的負輸出，請添加分立二極管，如圖12所示。峰峰值噪聲與圖7所示相同，給定穩壓輸出電壓的可用輸出電流如圖13所示為<>個分立輸入電壓。

圖 12.該低噪聲穩壓電荷泵外部的二極管電容網絡將最小輸入電壓從4.5V降至2.5V。

圖 13.這些曲線顯示 I外與受監管的 V外圖12電路。

為了避免需要為低功耗計算機外圍設備提供電池或線路電壓，您可以從串行端口抽取幾毫瓦。常見的PC鼠標和其他此類設計依賴于調制解調器控制信號DTR和RTS，但圖14所示電路從3線端口的TX線獲取電源。其輸出能力（8mA）足以滿足CMOS微控制器和一些支持電子設備的需求。TX線在負電壓下空閑，因此IC的正常輸入極性反轉（施加在OUT引腳和地之間的負輸入電壓使IC能夠從其正常方向向后泵浦）。齊納二極管D1為4.7V輸出提供并聯調節。

圖 14.該電荷泵工作在倍壓器模式，將負輸入電壓（來自RS-232端口的TX線路）轉換為5mA的半穩壓8V輸出。

電荷泵IC可以幫助縮小便攜式系統中的電源，因此監控制造商不斷推出的新技術和新IC設計是值得的。例如，Maxim提供各種電荷泵IC，如表2-4所示。

表 2.單輸出電荷泵

表 3.穩壓電荷泵

表 4.多輸出電荷泵

審核編輯：郭婷