電荷泵原理及應用
摘要：電荷泵由于其轉換效率高、外接組件少，在現代電源管理電路中有廣泛的應用。本文從應用的角度出發，介紹了電荷泵的工作原理和電荷泵在現代電子工業中的應用；在應用方面重點討論了基于電荷泵的LED驅動器并做出結論。本文的討論和結論對全面掌握電荷泵原理和合理應用電荷泵有重要的參考作用。
關鍵詞：電荷泵；原理；應用
The Principle and Application of Charge pump
Abstract:Charge pump is widely ud in the modern power management circuit becau of its high conversion efficiency and fewer external ponents .This article introduces the working principle of charge pump and its application in the modern electronic industry from the perspective of application.And describe the LED driver bad on charge pump in detail,then make a conclusion.The discussion and conclusion of this article is the esntia
l reference for us to master the principle of charge pump and learn how to u it reasonably.
Keywords: charge pump;principle;application
1 引言
隨著科技的高速發展，移動、平板電腦等便攜式移動設備已成為每家每戶現代生活的必需品。這些便攜式移動設備大多以電池供電，其負載電路通常是微處理器控制的設備，此類設備要求供電電源的效率要高、輸出電壓的紋波要小。DC-DC變換器（直流變換器）就是把未經調整的電源電壓轉化為符合設計需求的電源電壓。傳統的開關電源通常使用一個電感實現DC-DC變換，但是電感體積龐大、容易飽和、會產生EMI，而且電感價格昂貴。為解決此類問題，現代電源通常采用電荷泵電路。電荷泵采用電容儲存能量，外接組件少，非常適合用于便攜式設備中，并且隨著其電路結構的不斷改進和工藝水平的提高，也可應用在需要較大電流的應用電路中。因此高效率電荷泵DC-DC轉換器因其功耗小，成本低，結構簡單，無需電感、二極管、MOSFET等外圍組件、EMI抑制能力強等優點，在電子設備電源電路中己得到廣泛應用[15]。
2 電荷泵的原理
2.1 電荷泵的基本原理
電荷泵的基本原理是給電容充電，把電容從充電電路取下以隔離充進的電荷，然后連接到另一個電路上，傳遞剛才隔離的電荷。我們形象地把這個傳遞電荷的電容看成是“裝了電子的水桶”。從一個大水箱把這個桶接滿，關閉龍頭，然后把桶里的水倒進一個大水箱[8]。電荷泵也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容，而非電感或變壓器來儲能的DC-DC變換器（直流變換器）。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產生負電壓。其部的MOSFET開關陣列以一定的方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(1/2,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調制過程可以保證高達80%及以上的效率，而且只需外接瓷電容[7]。由于電路是開關工作的，電荷泵結構也會產生一定的輸出紋波和EMI。
電荷泵作為目前常用的DC-DC可以實現逆變器、分路器或者增壓器的功能，逆變器將輸入的正電壓轉換成一個負電壓輸出。作為分路器使用時，輸出電壓是輸入電壓的一部分，例如1.5倍壓或2/3倍壓。作為增壓器時，它可以提供1.5倍壓或者2倍壓的增益[1]。
2.2 理想電荷泵模型及其原理簡介
理想電荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，其基本思想就是通過電容對電荷的積累效應來產生高電壓，使電流由低電勢流向高電勢。當時這種電路是為了提供可擦寫EPROM所需要的電壓而設計的。后來J.Witters、Toru Tranzawa等人對J.Dickson的電荷泵模型進行改進，提出了比較精確的理論模型，并通過實驗加以證實，提出了一些理論公式。隨著集成電路技術的不斷發展，基于低功耗、低成本的考慮，電荷泵在電子設備電源電路中的應用也越來越廣泛了。四階Dickson電荷泵原理圖如圖1所示[15]。
圖1所示電路的工作原理是：當Uf為低電平時，MD1管導通，UIN對結點1相連的電容進行充電，直到結點1的電壓變為；當Uf為高電平時，結點1的電壓變為，此時MD2導通，對與結點2相連的電容進行充電，直至結點2的電壓變為，Uf再度變為低電平，結點2上的電壓為，如此循環，直到完成四級電容的充放電，可以獲得的輸出電壓為：
由此可以得到，N級倍壓電荷泵的電壓增益為：
圖1 四階Dickson電荷泵原理圖[8]
2.3電荷泵的工作過程
電荷泵的工作過程為首先儲存能量，然后以受控方式釋放能量，以獲得所需的輸出電壓。電荷泵采用電容器來儲存能量，并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[4]。最簡單也是最常用的電荷泵結構之一是倍壓電荷泵，我們以倍壓電荷泵來做原理說明：
電容是存儲電荷或電能并按預先確定的速度和時間放電的器件。如果一個理想的電容以理
想的電壓源UG進行充電如圖2(a)所示，依據Dirac電流脈沖函數立即存儲電荷如圖2(b)所示，則存儲的總電荷數量按下式計算：
(a)理想情況下電容充電電路 (b)理想情況下電容充電電壓和電流波形
(c)實際情況下電容充電電路 (d)理想情況下電容充電電壓和電流波形
圖2 理想和實際情況下電容的充電電路、充電電壓波形、充電電流波形[4]
實際的電容具有等效串聯阻抗(ESR)和等效串聯電感(ESL)，兩者都不會影響到電容存儲電能的能力。然而，它們對開關電容電壓變換器的整體轉換效率有很大的影響[12]。實際電容充電的等效電路如圖2(c)所示，其中RSW是開關的電阻。圖2(d)為實際情況下的電流充電電壓和電流波形。充電電流路徑具有串聯電感，通過適當的器件布局設計可以減小這個串聯電感。
一旦電路被加電，將產生指數特性的瞬態條件，直到達到一個穩態條件為止。電容的寄生效應限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉移時間。因此，電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零[8]。電荷泵就是利用電容的這種特性進行工作的，如圖3(a)所示。
電荷泵的電壓變換在兩個階段實現。在第一個階段，開關S1和S2關閉，而開關S3和S4打開，電容C1充電到輸入電壓：
