电荷泵

✍ dations ◷ 2025-08-02 23:10:03 #电力电路,电路分析

电荷泵（charge pump）是一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，多半用来产生比输入电压大的输出电压，或是产生负的输出电压。电荷泵电路的电效率很高，约为90-95%，而电路也相当的简单。

电荷泵利用一些开关元件来控制连接到电容器的电压。例如，可以配合二阶段的循环，用较低的输入电压产生较高的脉冲电压输出。在循环的第一阶段，电容器连接到电源端，因此充电到和电源相同的电压，在第一阶段会调整电路组态，使电容和电源电压串联。若不考虑漏电流的效应，也假设没有负载，其输出电压会是输入电压的两倍（原始的电源电压加上电容器两端的电压）。较高输出电压的脉冲特性可以用输出的滤波电容器来滤波。

以右图为例，电荷泵的电容C_P先由电源充电，之后电容C_P和电源串联，和输出电容C_O充电，因此C_O最后会充到电源的二倍。可能需要几个周期才能将C_O充饱，但若到达稳态，C_P只需要提供很少的电荷，相当于C_O提供给负载需要的电荷。当C_O切离电容C_P时，C_O会对负压放电，因此输出电压会有涟波，若时脉较快，充电时间较短，涟波也会变小，也比较容易滤除。而且对应相同的链波规格，可以选用较小的电容器。

会有其他的电路来控制开关的定期切换，一般切换频率会是数十kHz到数MHz，切换频率高可以减少所需的电容器，让较短时间内需要储存的电荷也比较小。电荷泵中用的电容器一般会称为飞电容（flying capacitor）。

另一种思考的方式是将电荷泵视为是多倍压器及直流-交流转换器（开关）的组合。

电荷泵的输出电压会和负载有关，若负载越大，其平均电压也会越低。

电荷泵依控制方式及电路架构的不同，可以进行倍压、三倍压、电压反相、电压乘以一分数（例如×3/2, ×4/3, ×2/3等），也可以在不同模式中快速切换，产生任意大小的电压。

“电荷泵”一词也有用在锁相环（PLL）电路中，不过作用不同。锁相环中的电荷泵只是双极性的切换式电流源，因此可以输出正负交换的电流脉冲给锁相环的滤波电路，但其电压只能在电源和地点之间，无法产生超过电源或低于地点的电压。

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