為什么要討論用來升壓的電荷泵電路呢？

今天我們一起來討論一下用來升壓的 電荷泵電路 （Charge Pump），也稱為 開關電容轉換器 （Switched Capacitor Converter）。老粉絲都知道，公眾號很久之前就發布了一篇闡述電感、電容、二極管構成的BOOST升壓方案的文章，那為什么還要討論電荷泵方案的升壓電路呢？它有什么優勢呢？為什么在實際應用中很少看到單獨的電荷泵升壓芯片呢？

為了解答這些問題，我們先來分析一下最簡單的2倍壓電荷泵升壓電路的工作原理，相應的基本結構如下圖所示：

VDD為輸入供電電源，CF為浮置電容（Floating Capacitor，默認狀態下未與任何網絡連接），CL為負載電容（Load Capacitor），開關S 1 ～S4可以由場效應管構成，它們由兩路互補的時鐘信號CLK1與CLK2控制，如下圖所示

假設在初始狀態下，CF與CL均沒有存儲電荷，且 時鐘為高電平時相應的開關閉合，為低電平時相應的開關斷開 。

當t1時刻到來時，開關S 1 、S4閉合，S 2 、S3斷開，此時VDD對CF快速充電，充滿電后CF兩端的電壓為V DD ，其極性為上正下負，而VOUT暫時還沒有電壓，如下圖所示：

當t2時刻到來時，開關S 1 、S4斷開，S 2 、S3閉合，此時VDD與CF兩端的電壓串聯疊加給VOUT供電，其值為2V DD ，CL兩端的電壓也會被充電至2V DD ，如下圖所示：

當t3時刻到來時，由CL給VOUT提供2VDD的電壓，VDD繼續給CF充電以補充轉移到CL中的電荷，這就是2倍壓電荷泵的基本原理。

當然，以上分析過程是在理想條件下進行的，我們假定電容充電常數為0，放電常數為無窮大。實際上，由于電源內阻、開關導通電阻、負載等因素的存在，CF與CL的充電速度總是有限的，不可能一瞬間就能將電容充滿電。

換句話說，CF儲存的電荷量會隨著時鐘周期的增加而越來越多，從CF轉移到CL的電荷也會逐漸增加，而且由于損耗的存在，輸出電壓也達不到理想值。

我們可以使用Multisim軟件平臺仿真一下2倍壓電荷泵電路，相應的仿真電路如下圖所示（V DD =5V，C F =C L =4.7uF，電源內阻為10歐姆，負載電阻為100k歐姆，頻率為20kHz）

負載RL兩端的電壓即為電荷泵仿真電路的輸出電壓，相應的波形如下圖所示：

可以看到，電荷泵電路在實際工作時，VOUT上升期間總會定期地下降一點點，因為VOUT通常也是需要連接負載的。在CF充電期間，CL總是會因為放電行為而有所下降，我們稱其為紋波（ripple）。理論上，CL的電容量越大，則VOUT的紋波也就越小，這當然是一件美好的事情，但是CL容量越大，充放電時間常數也會變大，這會降低電路的反應速度，因為輸出需要更長的時間才能上升到所需電壓。

電荷泵電路的缺點是 帶負載能力并不強 （相對于BOOST架構），所以單純的電荷泵芯片應用場合并不多，但是由于電荷泵方案不需要使用電感器，這在集成芯片中有非常大的優勢。稍微了解集成電路制造工藝的粉絲都會知道， 電感器是很難集成到芯片中的 ，所以電荷泵方案作為芯片中某部分功能的場合應用會非常多，最經典的集成電荷泵方案的芯片就是 MAX232 ，它可以將TTL/CMOS電平（0V為邏輯“0”，5V為邏輯“1”）轉換為RS232電平標準（+3V +15V為邏輯0，-3V -15V為邏輯1），具體來說是由兩個電荷泵電路完成的，其中之一將+5V升壓到+10V，另外一個則將+10V轉換為-10V，后續有機會我們再結合數據手冊詳細討論其電路設計過程。

電荷泵升壓方案在LCD（或OLED、EPD，本文不涉及）驅動芯片中也很常見，主要用來給偏壓電路提供高壓或驅動電源，經典的SED1565、ST7920、PCD8544、SSD1773、ILI9341等等LCD驅動芯片都集成了電荷泵電路，下圖為SED1565的電荷泵方案應用時的電路連接，可以實現2、3、4倍壓。