深度剖析电荷泵电路

情况很简单——你有一个低压电源轨，比如 3.3V，你想为需要 5V 的东西供电。这是一个艰难的决定，尤其是在涉及电池的情况下。唯一明显的方式是开关模式转换器，更具体地说是升压转换器。

这是我们遇到障碍的地方——升压转换器在低功率时效率低下，因为大量能量仅用于保持稳定和驱动电源开关。此外，这种类型的开关模式转换器噪声很大——如果您正在处理敏感电路，这是一个问题。您处于过度设计的解决方案的不舒服位置。线性稳压器不能反向工作，因此排除了设计不足的可能性。

那么我们在哪里划定过度设计和设计不足之间的界限呢？

这个问题的答案是电荷泵——它本身就是一种开关模式电源。顾名思义，这种转换器将离散电荷四处移动，而存储这些离散电荷的元件就是电容器，因此这种转换器也称为飞电容转换器。

电荷泵使用电容器产生输入电压的离散倍数。

电荷泵如何工作？

理解这一点的最好方法是想象以下情况。

您使用 9V 电池为电容器充电，因此电容器两端的电压也是 9V。然后你拿另一个电容器也充电到 9V。现在将两个电容器串联起来，测量它们两端的电压——18V。

这是电荷泵的基本工作原理——取两个电容器，分别为它们充电，然后将它们串联起来，尽管在真正的电荷泵中，重新排列是通过电子方式完成的。

当然，这不仅限于两个电容器，可以级联连续的级以获得更高的输出电压。

电荷泵的局限性

在我们构建一个之前，了解电荷泵的局限性是个好主意。

1. 可用输出电流——由于电荷泵只不过是循环充电和放电的电容器，因此可用电流非常低——在极少数情况下，使用正确的芯片可以获得 100mA，但效率很低。

2.你添加的级数越多，并不意味着电压输出增加那么多倍——每一级负载前一级的输出，所以输出不是输入的完美倍数。添加的阶段越多，这个问题就越严重。

构建电荷泵电路

这里显示的电路是一个简单的三级电荷泵，它使用了常青555 定时器 IC。从某种意义上说，这个电路是“模块化的”——级可以级联以增加输出电压（考虑到第二个限制）。

所需组件

1. 对于 555 振荡器

555 定时器 - 双极型

10uF电解电容（去耦）

2x 100nF 陶瓷电容（去耦）

100pF陶瓷电容（定时）

1K电阻（定时）

10K电阻（定时）

2. 对于电荷泵

6x IN4148 二极管（也推荐使用 UF4007）

5x 10uF 电解电容

100uF电解电容

需要注意的重要一点是，电荷泵中使用的所有电容器的额定电压必须比预期的输出电压高几伏。

电路原理图

这是它在面包板上的样子：

电荷泵电路说明

1. 555定时器

这里显示的电路是一个简单的555 定时器非稳态振荡器。时序组件产生大约 500kHz 的频率（对于双极 555 而言，这本身就是一项壮举）。这种高频率可确保电荷泵上的电容器定期“刷新”，从而使输出电压不会产生太大的纹波。

2.电荷泵

这是整个电路中最令人生畏的部分。像大多数其他事情一样，可以通过将其分解为一个单元来理解：

假设 555 定时器的输出引脚 3 在启动期间为低电平。这导致电容器通过二极管充电，因为负极端子现在接地。当输出变高时，负引脚也变高 - 但由于电容器上已经有电荷（由于二极管而不能去任何地方），电容器正极端子上的电压实际上是输入电压的两倍。

这是电容器的正极：

最终结果是您有效地将 V CC偏移添加到 555 定时器的输出。

现在这个电压直接作为输出是没有用的，因为有 50% 的巨大纹波。为了解决这个问题，我们添加了一个峰值检测器，如下图所示：

这是上述电路的输出：

我们已经成功地将电压输出翻了一番！

电路构造技巧

双极 555 以其在电源轨上产生的电源尖峰而闻名，因为输出推挽级在转换期间几乎使电源短路。所以脱钩是强制性的。

我会绕道而行，告诉你一些关于正确解耦的事情。

这是振荡器的 V CC引脚，没有任何去耦：

这是具有适当去耦的相同引脚：

您可以清楚地看到一点点脱钩带来的差异。

电荷泵级推荐使用低电感陶瓷 SMD 电容器。具有低正向压降的肖特基二极管也可以提高性能。

使用具有适当输出级的 CMOS 555（甚至可能是像 TC4420 这样的栅极驱动器）可以减少（但不能消除）电源尖峰。

电荷泵变化

电荷泵不仅可以提高电压，还可以用来反转电压极性。

该电路的工作方式与倍压器相同——当 555 输出变高时，电容充电，当输出变低时，电荷被反向拉过第二个电容器，在输出端产生负电压。

我在哪里使用电荷泵？

在只有单一电压可用的电路中为运算放大器提供双极性电源。运算放大器不会消耗太多电流，因此非常适合。这样做的好处是可以从相同的输出驱动逆变器和倍频器，例如，从 5V 电源产生 ±12V 电源。

栅极驱动器——自举是一种选择，但电荷泵有可能产生更高的电压，例如，具有 3.3V 电源的 12V 栅极驱动器。在这种情况下，自举不会给你超过 7V 的电压。

因此，电荷泵是简单而高效的设备，用于创建离散的输入电压倍数。