电荷泵(Charge Pump)电路是一种基于电容和开关控制的DC-DC电压转换器,其核心原理是通过周期性切换电容的连接方式,实现升压、降压或电压反转。以下是其工作原理的分步解释:
1. 基本组成
- 电容:作为储能和电荷转移的媒介。
- 开关网络(MOSFET或二极管):控制电容的充放电路径。
- 时钟信号:驱动开关的周期性切换。
2. 工作阶段(以倍压电路为例)
电荷泵通过两阶段循环工作:
阶段1:充电(能量存储)
- 开关动作:开关闭合,将电容直接连接到输入电源(例如VIN)。
- 电容充电:电容被充电至输入电压VIN,存储电荷 ( Q = C \cdot VIN )。
阶段2:放电(能量转移)
- 开关切换:开关断开原有路径,将电容反向连接到输出端。
- 电压叠加:电容正极连接到VIN,负极连接到输出端。此时,输出电压为 ( VOUT = VIN + V_{电容} = VIN + VIN = 2VIN ),实现倍压输出。
3. 关键特点
- 无电感设计:仅依赖电容和开关,体积小、成本低。
- 效率限制:电容的寄生电阻和开关损耗导致效率低于电感式转换器,适合小电流场景(如驱动LED背光、EEPROM等)。
- 输出电压灵活:通过拓扑调整(如多级电容或开关配置)可实现升压、降压或负压输出。
4. 典型应用
- 升压:LCD屏幕驱动、闪存编程。
- 负压生成:运放负电源、传感器偏置。
- 简单电源管理:低功耗设备的电压转换。
5. 优缺点
- 优点:结构简单、无电磁干扰、低成本。
- 缺点:输出电流小、效率随负载增加下降、输出电压有纹波。
通过高速切换开关(通常为kHz至MHz级),电荷泵能够持续维持目标电压,是低功率场景中高效简洁的解决方案。
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