使用電荷泵驅(qū)動(dòng)電路-第 4 部分

在結(jié)束這個(gè)關(guān)于電荷泵的簡(jiǎn)短系列文章時(shí)，我想給你一些電路想法，讓你思考一個(gè)基本的電荷泵電路作為一個(gè)適用于廣泛應(yīng)用的構(gòu)建塊。如果我們的應(yīng)用程序需要一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，那么我們很有可能可以將幾個(gè)簡(jiǎn)單的組件拼湊在一起。

目前實(shí)用的電荷泵的主要不是則是很難實(shí)現(xiàn)大功率、高電壓應(yīng)用，在這些方面，目前電感式開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器還有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。具體而言，電荷泵目前主要的用途如下：

小功率倍壓、電壓反轉(zhuǎn)應(yīng)用，典型的應(yīng)用如單電源的5V、3V系統(tǒng)為RS232等串行系統(tǒng)提供±12的信號(hào)電平。

倍壓應(yīng)用，目前主流應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)LED尤其白光LED，在電池供電的手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等領(lǐng)域，為L(zhǎng)ED背光照明和LED閃光燈提供合適的電源。另一個(gè)很廣泛的應(yīng)用是為EEPROM和flash存儲(chǔ)器提供讀寫(xiě)電源，這些存儲(chǔ)器IC的電源軌一般是1.8V、3.3V，而讀取需要+5V，擦寫(xiě)需要12V，將電荷泵集成到這些存儲(chǔ)器IC中，就可以實(shí)現(xiàn)單一電源供電。

電荷泵的基本原理是給電容充電，把電容從充電電路取下以隔離充進(jìn)的電荷，然后連接到另一個(gè)電路上，傳遞剛才隔離的電荷。我們形象地把這個(gè)傳遞電荷的電容看成是“裝了電子的水桶”。從一個(gè)大水箱把這個(gè)桶接滿，關(guān)閉龍頭，然后把桶里的水倒進(jìn)一個(gè)大水箱[8]。電荷泵也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容，而非電感或變壓器來(lái)儲(chǔ)能的DC-DC變換器（直流變換器）。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負(fù)電壓。其內(nèi)部的MOSFET開(kāi)關(guān)陣列以一定的方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)(1/2,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。

電荷泵的每一級(jí)都會(huì)將輸出電壓增加大約開(kāi)關(guān)波形的幅度。如果我們想要更高（或者，在反相電荷泵的情況下，更負(fù)）輸出電壓，我們可以級(jí)聯(lián)多個(gè)電荷泵級(jí)（參見(jiàn)圖 1）。

圖 1：級(jí)聯(lián)多個(gè)電荷泵級(jí)

我們還可以組合受監(jiān)管和不受監(jiān)管的電荷泵級(jí)。圖 2 顯示了這樣一個(gè)電路，其中可以在大約 15V 和 30V 之間調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖 2：帶有額外非穩(wěn)壓級(jí)的穩(wěn)壓電荷泵

電荷泵電路在充電階段使用直流電壓來(lái)設(shè)置飛跨電容器的電壓。如果我們有它們可用，我們可以在充電階段使用不同的電壓作為電源，以提高轉(zhuǎn)換效率或擴(kuò)展輸出電壓范圍。

圖 3 顯示了一個(gè)電路，該電路使用 5V 輸入電壓從 15V 升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生大約 19.3V 的輸出電壓。

圖 3：高效電荷泵

圖 4 顯示了使用 –5V 電源從 5V 升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 –9.3V 的電路。

圖 4：高效反相電荷泵

圖 5 顯示了一個(gè)漂亮的小電荷泵電路，它采用了 Dickson 乘法器。這使用反相開(kāi)關(guān)波形來(lái)減少所需的開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)。在此應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)邏輯門(mén)生成 5V 矩形波形，用于驅(qū)動(dòng)電荷泵電路以生成大約 18V 的輸出電壓（盡管具有低電流能力）。

圖 5：在 Dickson 乘法器電路中使用邏輯門(mén)

電荷泵電路有時(shí)用于在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路中產(chǎn)生自舉電源，如圖 6 所示。在該電路中，連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電容器會(huì)產(chǎn)生高于電源電壓的電壓，從而可以使用用于高端開(kāi)關(guān)的 N 溝道 FET。N 溝道 FET 比等效的 P 溝道器件小，從而提高了性能或降低了成本（或兩者的某種組合）。請(qǐng)注意，圖 6 中所示的布置僅在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)切換時(shí)有效，因此它往往僅用于以強(qiáng)制 PWM 工作的轉(zhuǎn)換器。

圖 6：DC/DC 轉(zhuǎn)換器自舉電容器

電荷泵是我們軍械庫(kù)中的有用電路。它們成本低、簡(jiǎn)單且靈活。許多電路已經(jīng)具有可用于驅(qū)動(dòng)電荷泵的合適時(shí)鐘信號(hào)，我們所需要的只是一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)級(jí)。對(duì)于要求更高的應(yīng)用，TI 提供了一系列專(zhuān)用電荷泵器件，這些器件的性能甚至優(yōu)于自制電荷泵所能達(dá)到的性能。