关于IC里的Charge Pump的原理分析和应用介绍

做控制系统的工程师很可能用到过RS-232接口，这种接口在传递控制信号的时候会用到负电压。但是，有很多系统的电源系统都只提供正电压输出，5V常常是这样的系统的标准配备，这时候有很多人会选择一款很古老的-5V电压发生器——ICL7660，它能把+5V电压转换为-5V电压，下图是显示了该IC内部部分细节的原理框图：

它在工作的时候，RC振荡器产生的频率为f的振荡信号经过二分频以后变成5kHz，再经电平转换器去控制模拟开关SW1~4。当SW1/2导通时，SW3/4截止，C1与VDD和GND连接并被充电。当SW1/2截止时，SW3/4导通，C1+端与GND连接，C1-端与VO连接，因而C1与C2并联，C1上的电荷转移至C2形成负压输出。由于这个过程是反复进行的，C2上形成的输出电压就和VDD上的电压相等并且极性相反，当VDD电压为+5V时，VO电压就是-5V了。

ICL7660的输出电压VO是会随着VDD电压的变化而变化的，所以，如果应用需要的电压是固定的，在应用时就还需要增加一个稳压环节，或者使VDD电压是固定的，或者使最后的输出电压是固定的。

立锜以电荷泵为核心的器件有很多，它们大多以锂离子电池驱动LED为应用目标进行设计，所以在设计上有自己独特的性能。

RT9361A和RT9361B是比较老的器件，它们的输出电压分别为固定的5V和4.5V，输入电压则可在2.8V~输出电压之间，其典型的应用电路如下：

图示负载指出了非常明确的应用方向——驱动LED，但实际上你要把它们作为稳压器来使用是完全没有问题的。

RT9361的内部电路框图如下图所示：

其中用MOSFET来实现的开关就直接用开关来替代了，简单而明确，你不用去考虑驱动信号的逻辑了。其中还有输出电压反馈回来的信号用于调节泵电容的充电电流，所以我们可以相信这种电路对输入能量是有调节的，可以避免没有调节的电路可能存在的一些附带问题。由于工作频率高达1MHz，电路需要使用的泵电容也可以比较小。

驱动LED的时候需要把锂离子电池的电压提高，这是由于白光LED的工作电压范围比较宽的缘故，而这个范围又和锂离子电池的工作电压范围出现了相互的覆盖，实在是不得已而为之。RT9361在实现这一点的时候是直接采用升压的办法，但像下图所示的电路就不再是升压了：

在这里，LED的阳极是直接和电池供电端VBAT/芯片供电端VIN连接在一起的，这里是电路中的电压最高点。要想在所有情况下都能使LED发出正常的光，当VBAT很低时，经过LED以后的LED1~6端子处的电压就会低于GND的电压，所以，电路中就需要有负电源存在，而这个负电源就是由电荷泵电路生成的，上图中的CFLY1和CFLY2就是这个电荷泵电路的泵电容，而电路中的VOUT端子则是这个泵电路的输出。看看下图就会更清楚了：

由图可见，VIN和VOUT之间是一个电荷泵电路，其输出VOUT连接到LED1~6所连接的电流源（Current Source）的下面，成为该电路的负偏置电源。这样我们就知道在VIN—LED—电流源—VOUT之间的电压降是VIN – VOUT，由于VOUT为负，所以即使在VIN比较低时，电流源也有足够的空间进行电流调节，可以确保输出电流的稳定。

在这里，电荷泵电路的输入电压是有很大的变化范围的，再进行简单的电压极性反转就会生成单一的VIN - VOUT = 2 VIN，这样就会在输入电压较高时形成比较大的能量浪费，因此这里的电荷泵电路具有x1、x1.5和x2等多种工作模式。当它处于x1工作模式时，VOUT = 0V，这也意味着电荷泵电路没有进行电压变换工作，因而VIN – VOUT = VIN。在x2模式下，VOUT = - VIN，因而 VIN- VOUT = 2 VIN，这就是我们前面介绍的反极性电源的模式。比较特别的是x1.5模式，此时，VIN – VOUT = 1.5 VIN，即 VOUT = - 0.5 VIN，电荷泵的输出电压只有输入电压的一半，这是如何实现的呢？下面的图形示意出其工作原理：

在状态1时，泵电容C1和C2串联，电池电压VIN对其进行充电。由于C1=C2，C1和C2的最终电压都等于VIN的一半。

在状态2时，C1、C2与Cout并联。由于Cout要为负载供电，其电压将略低于0.5VIN，C1/2的电压比其略高，所以C1/2中的电荷将灌入Cout并使其电压提升至接近0.5VIN。

状态1和2反复进行，则Cout中的电压就总是处于接近0.5VIN的状态，从而使得VOUT=-0.5VIN。这个电压再和VIN-GND串联为负载供电，最后得到的输出电压就是1.5VIN了，这就是x1.5模式的工作方式。

将若干个开关和电容C1/2、Cout与VIN、VOUT结合通过判断输入电压与输出电压之间的关系，控制器就会知道要在什么情况下对那些开关进行控制，使得泵电路分别工作在x1、x1.5或x2模式下，输出的稳定就能得到保障了。

作为工程师，我们的重点是要了解工作原理，然后结合一定的推理，我们就可以在不同的状况下知道电路是如何构建的，他们又是如何工作的，再看到新电路的时候，我们就不会找不着方向了。

说到这里，我想起来一款带有限流限压功能的热插拔保护IC，它的型号是RT1720，其应用电路大多数情况下是这样的：

这个电路可以在5V~80V输入下工作，其输出电压是受到限制的：当输入电压低于输出电压设定值时，MOSFET Q1是直接导通的，VOUT基本上就和VIN相等；当输入电压高于设定的输出电压设定值时，MOSFET Q1将进入调节状态使输出电压等于设定电压。此电路对于电流的控制也与此类似，其目的就是要确保负载的安全，这在本质安全型应用中是非常重要的，对于存在LC振荡的长线传输场合也有巨大价值，它对防范电源接反可能带来的灾害也有保护作用。

从此电路可以看到，其中所用的MOSFET是N型的，而我们都知道N型MOSFET的驱动电压是需要高于其源极电压的，所以，我们可以知道这颗IC里是有升压电路的，否则就无法对MOSFET进行有效地控制。这个升压电路是如何实现的呢？它所用的正是电荷泵电路，只是这个电荷泵电路是集成在IC内部的，即便是泵电容也被集成了，不需要再外加实现。

另外，这个电荷泵电路在实现的时候还需要考虑安全性问题，这是它与我们前面介绍的电路不一样的地方。