如何利用 Charge Pump (电荷泵) 升压电路满足设计需求

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简介

大多数工程师都很熟悉可以将输出电压 (V_OUT) 提升至高于输入电压 (V_IN) 的升压变换器，也熟悉升降压变换器和单端原边电感变换器 (SEPIC)，它们可以确保 V_OUT 根据接收设备的需求高于、低于或等于 V_IN。

Charge Pump（电荷泵）变换器是一种利用电容来升高或降低电压的 DC/DC 变换器。这种变换器通常占位面积较小，却具有较高的效率以及令人难以置信的性价比。它们常被用于薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）的背光和光学模块，也可用于驱动降压电路中的上晶体管（N 沟道 MOSFET）

电荷泵充当倍压器

电荷泵变换器的传统用法是用作倍压器，它通过 V_IN 为电容充电，然后切换电荷以确保 V_OUT 恰好是 V_IN 的两倍。其基本原理很简单，即对电容进行充电和放电，然后利用电容可以存储电荷的原理，将这些电荷与充电电路隔离，并通过放电电路进行传递。

在充电阶段，四个开关中的两个开关（Q1 和 Q4）导通，另外两个开关（Q2 和 Q3）则关断；这让输入为电容 (C1) 充电（见图 1）。

然后是转换阶段，Q1 和 Q4 关断，而 Q2 和 Q3 则导通，因为电容两端的电压不会立即变化。C1 向输出电容 (C_OUT) 放电，电荷的传输通过开关变换实现，最后 V_OUT = 2 x V_IN。

图1: 倍压器原理图

电荷泵应用

下面我们将描述电荷泵变换器的典型应用。

电荷泵在 Buck 降压电路上管 MOSFET 中的应用

以降压电路为例。为了驱动上管 MOSFET (HS-FET) 并确保栅源电压 (V_GS) 超过阈值电压 (V_TH)，一般需要自举电路来升高栅极电压。

如图 2 所示，C1 在一个开关周期内完成充电和放电过程，从而提高了栅极电压。电荷泵不仅可以被降压变换器的自举电路用来驱动 HS-FET，还可用于驱动半桥和全桥应用中的 HS-FET。

图2: 电荷泵被用于驱动 HS-FET

电荷泵在 Boost 升压电路中的应用

在升压应用中，升压变换器的最大 V_OUT 可能无法满足某些器件的电压规格，例如 TFT-LCD 中的 VP/VN 电源。假设一个常用于 TFT 偏置电源的变换器，如果其输出超过 25V，但 SW 引脚仅支持 25V 最大电压，则输出通常会受限。

当然，工程师们也可以采用耐压更高的 IC，但这些 IC 通常性价比较低。在这种情况下，我们可以添加电荷泵电路（见图3）。只需添加一些额外组件，升压变换器的新输出 (V_OUT2) 就可以是典型输出电压 (V_OUT1) 的两倍。图 3 显示了一个利用 MP1542 （700kHz/1.3MHz 升压变换器）实现的电荷泵。

图3: 升压电路中的电荷泵

基于图 3 得到的简化电路图如图 4 所示。

图4: 升压电路中的简化电荷泵

图 5 显示了整个充电流程。当 Q1 导通时，C1 将能量传递给 C2，C2 电压升高，直至 V₁ 等于 V₂。当 Q1 关断时，第二个电容 (C2) 将能量传递给输出，最终电压 (V₃) 等于 V₂ + V₁，或 2 倍的 V₁。

图5: 简化电荷泵的功能框图

利用电荷泵实现负压应用

电荷泵还常被用于同时具有正压输出和负压输出的应用，因其所需外围组件较少，而且占用空间也较小。

在图 6 所示的电路中，内部逻辑电路仅需 4 个 MOSFET，即可使 V_OUT 等于负 V_IN。该电路无需外部电感，这降低了总体成本并简化了设计。这种紧凑的薄型解决方案可用于多种应用，包括光学模块、射频放大器和传感器电源。

图6: 负压电路中的电荷泵

表 1 对传统感性 DC/DC 变换器和容性 DC/DC 变换器之间的差异进行了总结。

表1: 感性 DC/DC 变换器和容性 DC/DC 变换器的比较

感性 DC/DC 变换器	容性 DC/DC 变换器
推荐用于具有宽 V_IN 的高功率应用	更少的外部元件，更小的 PCB 尺寸
高精度 V_OUT	低电磁干扰（EMI）和静态电流（I_Q），效率高
需要额外组件来降低 EMI	不推荐用于具有宽 VIN 的应用