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，如并聯充電、串聯放電，串聯充電、并聯放電等，實現升壓、降壓、負壓等電壓轉換功能。

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V2為低電平的時候，V1通過D1、C1、V2對電容C2充電，C2兩端電壓上正下負;當V2為高電平輸出的時候，V2輸出電壓與C1兩端電壓相疊加，通過D3對負載供電并對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為每個充放電周期內電容兩端電壓波動，I為充放電電流。

電荷泵以非常簡單的電路可以實現升壓、降壓、負壓等功能，所以各種不同的場合為電路擴展小功率電路。

2、電荷泵在電路中的作用

1.功率電路中的電荷泵

電荷泵的一個非常廣泛的用途就是在由N溝道MOSFET構成的半橋電路中為上橋臂提供浮驅電壓。典型接法如下圖所示，圖中紅框內的二極管D及電容Cboot與主電路中半橋的下橋臂T1構成電荷泵。當半橋的下臂T1開通時，Vcc通過D與T1為電容Cboot充電;當T1關斷T2導通時，Cboot為上臂T2提供MOSFET導通所必需的Vgs電壓。這是由于T2在電路中的位置所決定的，當T2導通時，如果忽略導通壓降Vds，T2的源極電壓Vs=Vr，所以如果想要飽和導通，加上T2門極上的驅動電壓需滿足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計要求，所以在此類應用中得到廣泛應用。

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）使電路設計變得非常簡單，但實際使用過程中有些限制，如對橋臂的開通時序和占空比有限制等。所以，在某些要求比較高的應用場合，采用他驅型的電荷泵，即將電荷泵電路及驅動波形與主功率電路分離，采用外部電路構成電荷泵。這樣的電路雖然結構比自舉驅動電路略微復雜一些，但克服了自舉驅動電路的一些問題，在某些場合也得到較廣泛的應用。

2.RS-232電平轉換中的升壓、負壓

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

下圖為RS232電平轉換芯片的典型結構框圖，首先以一個升壓電荷泵將+3.3V或5V的輸入電源進行二倍壓升壓，然后采用一個負壓電荷泵將二倍壓升壓后的電源輸出進行轉換為負電壓。

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