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電荷泵是一種增加或反轉直流電壓的電壓變換器。例如，+5V可以轉換為+10V或-5V（或更高/更低的值）。與升壓轉換器相比，電荷泵需要更少的元件和PCB空間，而且更便宜。
電荷泵是一種增加或反轉直流電壓的電壓變換器。例如，+5V可以轉換為+10V或-5V（或更高/更低的值）。與升壓轉換器相比，電荷泵需要更少的元件和PCB空間，而且更便宜。然而，電荷泵的局限性在于它們只能提供相對較小的電流。由于低電流的限制，電荷泵最適合于信號（通信）或驅動LCD背光等應用。以往常見的應用是生成+3V至+15V和-3V至-15V的RS232通信收發器（如MAX232）。
電荷泵的工作原理非常簡單。我們了解電力的第一件事是，如果我們串聯電池，則會增加電壓。
另一個電力基礎是電容器就像小型電池。
如果我們能用電壓源給電容器充電，然后迅速將其與電壓源串聯重新定位，那么我們就能將電壓提高一倍（就像將電池串聯起來增加其電壓的方式一樣）。在電路中，可以用開關重新定位--無論是機械的（物理開關或電磁繼電器）還是固態的（晶體管/二極管）。就產生負電壓而言，這只是將電容器重新定位，使其帶正電的一端與電壓源的負端相連。
該原理也可以縮放，因為可以在電壓源上并聯充電任意數量的電容器，然后在堆棧中重新定位。
在原理圖上，上述配置可以按如下方式完成：
截圖是在切換瞬間后拍攝的，這時電容器已經略微放電了。
電壓反轉如下所示：
當然，如果有任何負載，則電容器將立即開始放電，因此有必要在并聯和串聯配置之間不斷來回切換電容器，以便繼續充電。
為了在開關時保持輸出電壓相對恒定，我們可以在輸出端添加另一個電容器。
這在一定程度上平滑了輸出。
然而，讓人來回撥動開關來運行電荷泵顯然是不切實際的，為了保持一個相對穩定的輸出電壓，需要用一個大小適中的電容器進行非常快速的切換；因此需要一個快速的時鐘信號來運行切換。
在上述電路中，一個MC34063降壓轉換器將25V電壓降至5V。開關晶體管集成在控制器內，因此不需要外部晶體管。控制器使用反饋電阻R2/R3監測輸出電壓，并在負載處保持一個恒定的輸出電壓。給定一個時鐘信號，我們可以將該信號連接到一個電容器的負極，并通過一個二極管將電容器的正極連接到正電壓源。
當時鐘信號為低電平（0V）時，電容器將通過二極管向正電源電壓充電（減去二極管上的電壓降）。
當時鐘信號為高電平時（電源電壓，本例中為+1.5V），那么存儲在充電電容中的電壓將被加到其負極的電壓之上，導致輸出電壓翻倍。
二極管可以防止電容器向電源電壓放電，其結果是，時鐘電壓增加了一倍。
為了平滑輸出電壓，我們可以在輸出端再加一個電容和一個二極管，防止它在時鐘周期的低電平階段反向放電。
我們現在有一個非常平穩的輸出電壓。
由于二極管上的壓降（1.5V對于電源電壓非常低，二極管上的壓降比例相對較大 - 在5V/9V/等電源電壓下相對較小）以及實際電子元件的非理想性質（如內阻），平滑輸出電壓不是輸入電壓的兩倍， 然而，它被升壓明顯高于電源電壓，我們可以通過調整原理和增加更多的泵級來進一步提升它。
增加額外的泵級需要一個倒置的時鐘。可以用一個簡單的N-MOSFET和上拉電阻完成時鐘倒置：
但是，這只適用于更高的電源電壓，因為典型N-MOSFET的柵極閾值電壓約為2.1V，因此此時我們將切換到+5V電源。
我們將倒置的時鐘連接到第二階段電容的負極：
讓我們分析一下這是如何工作的（為了簡單起見，忽略了二極管/晶體管上的電壓降）。
最初時鐘為低電平，第一級電容充電至電源電壓（+5V）。第二級電容器還沒充電，因為它的正極和負極引腳上都有電源電壓。
接下來，時鐘變成高電平，第二階段像之前那樣被充電到+10V。
現在，時鐘再次變為低電平，導致倒置的時鐘變為高電平，并將現在充電的第二階段電容器提升到3倍電源電壓（+15V）。
同樣，由于二極管上的電壓降和不完全理想的實際組件，輸出電壓不完全是+15V，但肯定是電源電壓的兩倍以上。
這個過程可以鏈接和縮放以產生任意高的輸出電壓。這種類型的電荷泵拓撲結構被稱為Dickson電荷泵。
另一個有趣的設計是Marx 發生器：
在這個設計中，火花隙被用作開關。火花隙是相距一定距離的導體，一旦它們兩端的電壓高于絕緣體擊穿電壓（空氣約為30kV/cm），就會導電。一旦所有并聯電容器都充電，就會通過觸發第一個火花隙來引發跨越火花隙的連鎖反應。使用這種技術，可以產生數十萬伏特的電位。
將我們的思維方式切換回普通電子產品，值得一提的是，有方便的集成電路（IC）可用，可以簡化在設計中添加電荷泵的過程，只需要一個電源電壓和兩個電容器，例如行業標準TC7660。
還可以使用更先進的電荷泵IC，這些IC可以通過仔細控制驅動電荷泵的時鐘，同時仔細監控輸出電壓來輸出相對精確的穩壓。
總之，電荷泵在不需要大電流輸出的電壓升壓或反轉的情況下提供了一種有趣又緊湊的低成本選擇。
本文章版權歸英國Labcenter公司所有，由廣州風標電子提供翻譯，更多信息可訪問：https://www.labcenter.com/blog/sim-charge-pumps/
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