电荷泵的工作原理
电容式电荷泵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，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。由于工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1mF)，使空间占用小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2 倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的 ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的 RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射 EMI 可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它的输出电压是工厂生产精密预置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,如图 1 所示它实际上是一个片上系统 。
图 1 电容式电荷泵内部结构
工作过程
3 种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。
电荷泵分类
电荷泵可分为：
开关式调整器升压泵，如图 2(a)所示。
无调整电容式电荷泵，如图 2(b)所示。
可调整电容式电荷泵，如图 2(c)所示。
图 2 电荷泵的种类
电荷泵选用要点
作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素：
* 转换效率要高
无调整电容式电荷泵 90%
可调整电容式电荷泵 85%
开关式调整器 83%
* 静态电流要小，可以更省电；
* 输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；
* 噪音要小，对手机的整体电路无干扰；
* 功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计更小巧；
* 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫；
* 封装尺寸小是手持产品的普遍要求；
* 安装成本低，包括周边电路占 PCB 板面积小，走线少而简单；
* 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为 0。
应用
电荷泵转换器常用于倍压或反压型 DC-DC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达 1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。
电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用 2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。
电容式电荷泵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，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。由于工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1mF)，使空间占用小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2 倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的 ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的 RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射 EMI 可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它的输出电压是工厂生产精密预置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,如图 1 所示它实际上是一个片上系统 。
图 1 电容式电荷泵内部结构
工作过程
3 种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。
电荷泵分类
电荷泵可分为：
开关式调整器升压泵，如图 2(a)所示。
无调整电容式电荷泵，如图 2(b)所示。
可调整电容式电荷泵，如图 2(c)所示。
图 2 电荷泵的种类
电荷泵选用要点
作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素：
* 转换效率要高
无调整电容式电荷泵 90%
可调整电容式电荷泵 85%
开关式调整器 83%
* 静态电流要小，可以更省电；
* 输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；
* 噪音要小，对手机的整体电路无干扰；
* 功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计更小巧；
* 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫；
* 封装尺寸小是手持产品的普遍要求；
* 安装成本低，包括周边电路占 PCB 板面积小，走线少而简单；
* 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为 0。
应用
电荷泵转换器常用于倍压或反压型 DC-DC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达 1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。
电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用 2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。
电荷泵电压反转器是一种 DC/DC变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即 VOUT= -VIN。另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即 VOUT≈2VIN。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（Charge Pump Converter）。
虽然有一些 DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广泛的应用。
目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能工作。例如，D/A 变换器电路、A/D 变换器电路、V/F 或 F/V 变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自 INTERSIL 公司开发出 ICL7660 电压反转器 IC 后，用它来获得负电源十分简单，90 年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用。
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