在芯片電路中，什么是電荷泵(charge pump)？

什么是電荷泵(charge pump)？

電荷泵(charge pump)，也稱為 開關電容式電壓變換器，是一種利用“快速”（flying）或“泵送”電容（非電感或變壓器）來儲能的DC-DC變換器。 電荷泵能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產生負電壓。 其內部的FET開關陣列以一定方式控制快速電容器的充電或放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)（比如1/2，2或3）倍增或降低，最終得到所需要的輸出電壓。

電荷泵的基本原理

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的電荷，然后連接到另一個電路上，傳遞剛才隔離的電荷。我們形象地把這個傳遞電荷的電容看成是“裝了電子的水桶”。從一個大水箱把這個桶接滿，關閉龍頭，然后把桶里的水倒進一個大水箱。電荷泵也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容，而非電感或變壓器來儲能的DC-DC變換器（直流變換器）。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產生負電壓。其內部的MOSFET開關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。

電荷泵的電壓變換在兩個階段內實現(xiàn)。開關 S1 和 S2 關閉，S3 和 S4 打開，電容 C1 連接到輸入電壓上開始充電，最終充電到輸入電壓大小。此時電容 C1 就像是一個被裝滿水的桶，“水” 代表著電荷，電壓就相當于桶里水的高度：

到了第二階段，開關 S3 和 S4 關閉，S1 和 S2 打開，這時電容 C1 與輸入電壓斷開，但是由于電容兩端電壓不能立即改變，它還保持著原來充電到的輸入電壓大小。同時，電容 C1 連接到了輸出端，它開始向輸出端 “倒水”，也就是釋放電荷。

因為之前電容 C1 已經被充電到輸入電壓，現(xiàn)在它把這些電荷釋放到輸出端，就相當于在原來輸入電壓的基礎上又疊加了一個輸入電壓的電荷，所以輸出電壓就變成了輸入電壓的兩倍。就好像原本有一個裝滿水的桶，把里面的水倒進另一個已經有同樣高度水的大水箱里，那么大水箱里水的高度就變成了原來的兩倍，這就是為什么電荷泵在這種工作模式下輸出電壓會變?yōu)檩斎腚妷簝杀兜脑颉?/p>

電荷泵的作用：

電壓轉換

升壓：能將較低的輸入直流電壓轉換為較高的輸出直流電壓。例如，在一些手持設備中，電池電壓可能較低，但某些芯片或電路需要更高的電壓來工作，電荷泵就可以將電池電壓升高到所需的水平。

降壓：也可以實現(xiàn)將較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電壓，不過這種降壓方式與傳統(tǒng)的線性降壓或開關降壓有所不同，電荷泵通過特定的電容充電和放電模式來實現(xiàn)降壓功能。

反相：可以將輸入電壓的極性反轉，即輸出與輸入電壓大小相等但極性相反的電壓。在一些需要正負電源的電路中，電荷泵可用于產生負電壓。

電源管理

提高電源效率：在某些情況下，尤其是對于小電流、低電壓的應用，電荷泵的轉換效率較高。它通過電容存儲和轉移電荷的方式來實現(xiàn)電壓轉換，相較于一些線性穩(wěn)壓器，能減少功率損耗，提高電池等電源的使用效率，延長設備的續(xù)航時間。

電源軌轉換：在復雜的集成電路中，不同的模塊可能需要不同的電源電壓。電荷泵可以將一個電源軌的電壓轉換為適合其他模塊工作的不同電壓，實現(xiàn)多個模塊在同一芯片上的協(xié)同工作，優(yōu)化整個系統(tǒng)的電源管理。

驅動電路

為電容性負載提供電荷：電荷泵能夠為電容性負載快速提供所需的電荷，例如驅動液晶顯示器（LCD）的背光電路。LCD 的背光通常需要較高的電壓來驅動，電荷泵可以將系統(tǒng)電源電壓轉換為適合背光驅動的高電壓，并提供足夠的電流來點亮背光燈。

驅動功率器件：在一些功率電子電路中，電荷泵可用于驅動功率晶體管等器件。通過提供適當?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1518495.html">柵極驅動電壓，使功率器件能夠正常導通和關斷，從而控制功率的傳輸和轉換。

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