深度解析电荷泵设计工作原理

  电压的技术。例如，+5V能转换为+10V或-5V（或更高/更低的值）。与…相比升压）或驱动LCD背光等应用。历史上，一个常见的应用是产生+3V至+15V和-3V至-15V的

  电荷泵的工作原理格外的简单。关于电，我们学到的第一件事是，如果我们将电池串联，那么它们的电压就会相加。

  如果我们大家可以用一个电压源给一个电容器充电，然后迅速将其与电压源串联重新定位，那么我们就可以使电压加倍（与串联添加电池增加其电压的方式相同）。在电路中，重新定位能够最终靠开关来完成——机械开关（物理开关或电磁继电器）或固态开关（晶体管二极管）。

  就产生负电压而言，这只是重新定位电容器的情况，使得其正充电端子连接到电压源的负端子。

  该原理也可以被缩放，因为任意数量的电容器可以在电压源处被并联充电，然后被重新放置在堆叠中。

  当然，如果有任何负载，则电容器将立即开始放电，因此有必要在并联和串联配置之间不断地来回切换电容器，以便保持对其再充电。

  然而，让某人来回拨动开关来运行电荷泵显然是不实际的，并且为了用合理尺寸的电容器保持相对来说比较稳定的输出电压，需要非常快速的开关；因此就需要快速时钟信号来运行切换。

  在上述电路中，MC34063降压转换器用于将25V降压至5V。开关晶体管集成在控制器内部，因此不需要外部晶体管。控制器使用反馈电阻R2/R3监控输出电压，并在负载上保持恒定的输出电压。

  给定一个时钟信号，我们大家可以将该信号连接到电容的负极，并通过二极管将电容的正极连接到正电压源。

  当时钟信号为低电平（0V）时，电容器将通过二极管充电至正电源电压（减去二极管上的电压降）。

  当时钟信号为高电平（电源电压，本例中为+1.5V）时，存储在充电电容中的电压将被添加到其负引脚的电压之上，由此产生双倍的输出电压。

  为了平滑输出电压，我们大家可以在输出端增加另一个电容和一个二极管，以防止它在时钟周期的低相位反向放电。

  由于二极管上的压降（1.5V对电源电压来说非常低，二极管上的压降相对较大，对于5V/9V/等电源电压来说比较小）以及现实世界电子元件的非理想特性（如内阻），平滑后的输出电压并不是输入电压的两倍，但它会大幅度的提高至电源电压以上，我们大家可以通过调整原理和增加更多泵级来进一步提升。

  增加额外的泵级需要反相时钟。使用简单的N-MOSFET和上拉电阻能轻松实现时钟反转：

  然而，这仅适用于较高的电源电压，因为典型N-MOSFET的栅极阈值电压约为2.1V，所以此时我们将切换到+5V电源。

  让我们分析一下这是如何工作的（为了简单起见，忽略二极管/晶体管上的压降）。

  最初，时钟为低电平，第1级电容充电至电源电压（+5V）。第2级电容还没有充电，因为它的正负引脚上都有电源电压。

  现在，时钟再次变低，导致反相时钟变高，并将现在充电的第2级电容升压至电源电压的3倍（+15V）。

  同样，由于二极管和非理想真实元件上的压降，输出电压不完全是+15V，但肯定是电源电压的两倍以上。

  在这个设计中，火花隙被用作开关。火花隙是相隔一定距离放置的导体，一旦它们之间的电压高于绝缘体击穿电压（空气中约为30kV/cm），就会导致导电。一旦所有并联电容器被充电，通过触发第一火花隙，火花隙上的连锁反应被启动。使用这种技术，可以产生几十万伏的电压。

  将我们的思维转回普通的电子学，值得一提的是，有一些方便的集成电路（IC）可以简化在设计中添加电荷泵的过程——只需要一个电源电压和两个电容——例如工业标准TC7660。

  还提供更先进的电荷泵IC，通过仔细控制驱动电荷泵的时钟，同时仔细监控输出电压，这些IC可以输出相对精确的调节电压。

  总之，电荷泵为不需要大电流输出的升压或反相提供了一种有趣而紧凑的低成本选择。

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  是一种增加或反转直流电压的电压变换器。例如，+5V能转换为+10V或-5V（或更高/更低的值）。

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