电荷泵

✍ dations ◷ 2025-07-11 17:23:53 #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CP先由电源充电,之后电容CP和电源串联,和输出电容CO充电,因此CO最后会充到电源的二倍。可能需要几个周期才能将CO充饱,但若到达稳态,CP只需要提供很少的电荷,相当于CO提供给负载需要的电荷。当CO切离电容CP时,CO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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