1、電荷泵原理

電荷泵的基本原理是，電容的充電和放電采用不同的連接方式，如并聯(lián)充電、串聯(lián)放電，串聯(lián)充電、并聯(lián)放電等，實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、負(fù)壓等電壓轉(zhuǎn)換功能。

上圖為二倍升壓電荷示，為最簡單的電荷泵電路。V2輸出為方波信號，當(dāng)V2為低電平的時(shí)候，V1通過D1、C1、V2對電容C2充電，C2兩端電壓上正下負(fù);當(dāng)V2為高電平輸出的時(shí)候，V2輸出電壓與C1兩端電壓相疊加，通過D3對負(fù)載供電并對C2充電。如果忽略二極管壓降，則C2兩端電壓Vo=V2+V1，其中V2為電壓源V2的高電平輸出電壓。

由于電荷泵整個(gè)工作過程的核心部分為電容充放電過程，所以最重要的公式為電容充放電公式：I*T=ΔV*C，其中T為電容充放電周期，ΔV為每個(gè)充放電周期內(nèi)電容兩端電壓波動(dòng)，I為充放電電流。

電荷泵以非常簡單的電路可以實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、負(fù)壓等功能，所以各種不同的場合為電路擴(kuò)展小功率電路。

2、電荷泵在電路中的作用

1.功率電路中的電荷泵

電荷泵的一個(gè)非常廣泛的用途就是在由N溝道MOSFET構(gòu)成的半橋電路中為上橋臂提供浮驅(qū)電壓。典型接法如下圖所示，圖中紅框內(nèi)的二極管D及電容Cboot與主電路中半橋的下橋臂T1構(gòu)成電荷泵。當(dāng)半橋的下臂T1開通時(shí)，Vcc通過D與T1為電容Cboot充電;當(dāng)T1關(guān)斷T2導(dǎo)通時(shí)，Cboot為上臂T2提供MOSFET導(dǎo)通所必需的Vgs電壓。這是由于T2在電路中的位置所決定的，當(dāng)T2導(dǎo)通時(shí)，如果忽略導(dǎo)通壓降Vds，T2的源極電壓Vs=Vr，所以如果想要飽和導(dǎo)通，加上T2門極上的驅(qū)動(dòng)電壓需滿足Vg=Vr+Vgs，對于功率型N溝道MOSFET而言，Vgs通常需要15V左右。電荷泵以很少的元器件滿足了這一設(shè)計(jì)要求，所以在此類應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

雖然上圖中所述的自舉型電荷泵（采用半橋的下臂作為電荷泵的一部分）使電路設(shè)計(jì)變得非常簡單，但實(shí)際使用過程中有些限制，如對橋臂的開通時(shí)序和占空比有限制等。所以，在某些要求比較高的應(yīng)用場合，采用他驅(qū)型的電荷泵，即將電荷泵電路及驅(qū)動(dòng)波形與主功率電路分離，采用外部電路構(gòu)成電荷泵。這樣的電路雖然結(jié)構(gòu)比自舉驅(qū)動(dòng)電路略微復(fù)雜一些，但克服了自舉驅(qū)動(dòng)電路的一些問題，在某些場合也得到較廣泛的應(yīng)用。

2.RS-232電平轉(zhuǎn)換中的升壓、負(fù)壓

電荷泵的另外一個(gè)極為廣泛的應(yīng)用就是為電平轉(zhuǎn)換芯片提供符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的電源電壓。電平轉(zhuǎn)換芯片的供電通常為3.3V或者5V的單電源，而RS232電平標(biāo)準(zhǔn)要求，以-3~-15V表示邏輯電平1，以+3~+15V表示邏輯電平0，所以RS232轉(zhuǎn)換芯片不僅要完成電平轉(zhuǎn)換，還要提供符合要求的電源轉(zhuǎn)換。

下圖為RS232電平轉(zhuǎn)換芯片的典型結(jié)構(gòu)框圖，首先以一個(gè)升壓電荷泵將+3.3V或5V的輸入電源進(jìn)行二倍壓升壓，然后采用一個(gè)負(fù)壓電荷泵將二倍壓升壓后的電源輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。

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