淺談電荷泵架構和設計考慮

開關電源有電感開關電源和電容開關電源兩個大類。在電源中起到能量存儲的關鍵器件是電感和電容。電容開關電源即電荷泵，電荷泵在電源可以實現升壓，降壓，以及反相。

電荷泵架構理解

電荷泵核心是依據電容的儲能特性，通過開關改變電容間的串并關系，從而改變輸出電壓。從下圖中即可理解電荷泵儲能和傳遞能量的過程。核心器件開關和飛跨電容。電荷泵不在局限小功率（幾十，幾百mA）的方案，已有大功率的方案如ADI LTC7821的方案。

圖1

電荷泵分類

電荷泵可分為非穩壓電荷泵和穩壓電荷泵。

1. 從圖1的架構我們可以看到輸出電壓是將輸入電壓的進行了倍頻和反相，輸出電壓會隨著輸入電壓變化。此結構可實現倍壓，半壓，反相以及分數比例的電壓需求，但具體需要看芯片內部拓撲。

2. 在電源中通常需要穩定的輸出電壓，所以內部架構控制需要閉環。

圖2 - ADI LTC3265的內部看是電荷泵架構+LDO架構，實現了穩定的正、負電源輸出。

圖3 - ADI ADP3605的內部架構看是電荷泵架構通過增加輸出反饋調節環路控制開關的導通電阻來調節穩定輸出。

整體看來非穩壓架構的電荷泵比此兩種穩定輸出電壓的電荷泵效率高。

圖2

圖3

設計考慮

整體來看電荷泵外圍電路比較簡單，體積小，效率高，核心器件開關和飛跨電容。為實現電源性能的最優化，從器件選取到PCB布局布線都要考慮全面。例如開關器件內置還是外置其所對應的開關速度和開關損耗；電容的類型，容值，損耗，尺寸等常規參數。

飛跨電容：由于切換中電容要倒換極性，優選陶瓷電容，X5R或X7R的陶瓷電容器在-40°C-85°C下保持較好的性能。

輸入和輸出電容：為了提升效率同時降低輸出噪聲和紋波，建議采用低ESR的陶瓷電容，為提升瞬態需要的電荷容量可使鉭電容和電解電容與其并聯。紋波電壓往往與開關頻率，輸出電流，電容值以及ESR密切相關需要綜合考慮。

開關MOSFET：電荷泵的開關頻率通常在幾十KHz-幾MHz，部分大功率的電荷泵為外置開關管，除了管子的驅動還要考慮開關損耗和導通損耗。

應用場景

• 電荷泵可用在對移動設備的高功率快速充電的場景

• 電荷泵可用在便攜設備內部小于200mA的低電流需求的場景

• 電荷泵可用于LCD和LED的驅動

• 在我們常用的RS232電平轉換以及一些電源，熱插拔等芯片中也可以見到采用電荷泵作為MOS管柵極驅動

• 需要負電壓小電流的場景，電荷泵也是非常好的選擇

總體看來電荷泵電路簡單，體積和效率方案有一定的優勢，使用場景越來越多。