电荷泵原理及应用
摘要：电荷泵由于其转换效率高、外接组件少，在现代电源管理电路中有广泛的应用。本文从应用的角度出发，介绍了电荷泵的工作原理和电荷泵在现代电子工业中的应用；在应用方面重点讨论了基于电荷泵的LED驱动器并做出结论。本文的讨论和结论对全面掌握电荷泵原理和合理应用电荷泵有重要的参考作用。
关键词：电荷泵；原理；应用
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
随着科技的高速发展，移动、平板电脑等便携式移动设备已成为每家每户现代生活的必需品。这些便携式移动设备大多以电池供电，其负载电路通常是微处理器控制的设备，此类设备要求供电电源的效率要高、输出电压的纹波要小。DC-DC变换器（直流变换器）就是把未经调整的电源电压转化为符合设计需求的电源电压。传统的开关电源通常使用一个电感实现DC-DC变换，但是电感体积庞大、容易饱和、会产生EMI，而且电感价格昂贵。为解决此类问题，现代电源通常采用电荷泵电路。电荷泵采用电容储存能量，外接组件少，非常适合用于便携式设备中，并且随着其电路结构的不断改进和工艺水平的提高，也可应用在需要较大电流的应用电路中。因此高效率电荷泵DC-DC转换器因其功耗小，成本低，结构简单，无需电感、二极管、MOSFET等外围组件、EMI抑制能力强等优点，在电子设备电源电路中己得到广泛应用[15]。
2 电荷泵的原理
2.1 电荷泵的基本原理
电荷泵的基本原理是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。我们形象地把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒进一个大水箱[8]。电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容，而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器（直流变换器）。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其部的MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(1/2,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80%及以上的效率，而且只需外接瓷电容[7]。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI。
电荷泵作为目前常用的DC-DC可以实现逆变器、分路器或者增压器的功能，逆变器将输入的正电压转换成一个负电压输出。作为分路器使用时，输出电压是输入电压的一部分，例如1.5倍压或2/3倍压。作为增压器时，它可以提供1.5倍压或者2倍压的增益[1]。
2.2 理想电荷泵模型及其原理简介
理想电荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，其基本思想就是通过电容对电荷的积累效应来产生高电压，使电流由低电势流向高电势。当时这种电路是为了提供可擦写EPROM所需要的电压而设计的。后来J.Witters、Toru Tranzawa等人对J.Dickson的电荷泵模型进行改进，提出了比较精确的理论模型，并通过实验加以证实，提出了一些理论公式。随着集成电路技术的不断发展，基于低功耗、低成本的考虑，电荷泵在电子设备电源电路中的应用也越来越广泛了。四阶Dickson电荷泵原理图如图1所示[15]。
图1所示电路的工作原理是：当Uf为低电平时，MD1管导通，UIN对结点1相连的电容进行充电，直到结点1的电压变为；当Uf为高电平时，结点1的电压变为，此时MD2导通，对与结点2相连的电容进行充电，直至结点2的电压变为，Uf再度变为低电平，结点2上的电压为，如此循环，直到完成四级电容的充放电，可以获得的输出电压为：
由此可以得到，N级倍压电荷泵的电压增益为：
图1 四阶Dickson电荷泵原理图[8]
2.3电荷泵的工作过程
电荷泵的工作过程为首先储存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。电荷泵采用电容器来储存能量，并通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升[4]。最简单也是最常用的电荷泵结构之一是倍压电荷泵，我们以倍压电荷泵来做原理说明：
电容是存储电荷或电能并按预先确定的速度和时间放电的器件。如果一个理想的电容以理
想的电压源UG进行充电如图2(a)所示，依据Dirac电流脉冲函数立即存储电荷如图2(b)所示，则存储的总电荷数量按下式计算：
(a)理想情况下电容充电电路 (b)理想情况下电容充电电压和电流波形
(c)实际情况下电容充电电路 (d)理想情况下电容充电电压和电流波形
图2 理想和实际情况下电容的充电电路、充电电压波形、充电电流波形[4]
实际的电容具有等效串联阻抗(ESR)和等效串联电感(ESL)，两者都不会影响到电容存储电能的能力。然而，它们对开关电容电压变换器的整体转换效率有很大的影响[12]。实际电容充电的等效电路如图2(c)所示，其中RSW是开关的电阻。图2(d)为实际情况下的电流充电电压和电流波形。充电电流路径具有串联电感，通过适当的器件布局设计可以减小这个串联电感。
一旦电路被加电，将产生指数特性的瞬态条件，直到达到一个稳态条件为止。电容的寄生效应限制了峰值充电电流，并增加了电荷转移时间。因此，电容的电荷累积不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变化为零[8]。电荷泵就是利用电容的这种特性进行工作的，如图3(a)所示。
电荷泵的电压变换在两个阶段实现。在第一个阶段，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容C1充电到输入电压：
