透彻具体电荷泵升压电路的工作事理分析（配Multisim仿真验证）_电荷_电路

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Hello，大家好，本日我们一起来谈论一下用来升压的电荷泵电路（Charge Pump），也称为开关电容转换器（Switched Capacitor Converter）。
老粉丝都知道，"大众年夜众号良久之前就发布了一篇阐述电感、电容、二极管构成的BOOST升压方案的文章，那为什么还要谈论电荷泵方案的升压电路呢？它有什么上风呢？为什么在实际运用中很少看到单独的电荷泵升压芯片呢？为理解答这些问题，我们先来剖析一下最大略的2倍压电荷泵升压电路的事情事理，相应的基本构造如下图所示：

VDD为输入供电电源，CF为浮置电容（Floating Capacitor，默认状态下未与任何网络连接），CL为负载电容（Load Capacitor），开关S1～S4可以由场效应管构成，它们由两路互补的时钟旗子暗记CLK1与CLK2掌握，如下图所示

假设在初始状态下，CF与CL均没有存储电荷，且时钟为高电平时相应的开关闭合，为低电平时相应的开关断开。
当t1时候到来时，开关S1、S4闭合，S2、S3断开，此时VDD对CF快速充电，充满电后CF两端的电压为VDD，其极性为上正下负，而VOUT暂时还没有电压，如下图所示：

当t2时候到来时，开关S1、S4断开，S2、S3闭合，此时VDD与CF两端的电压串联叠加给VOUT供电，其值为2VDD，CL两端的电压也会被充电至2VDD，如下图所示：

当t3时候到来时，由CL给VOUT供应2VDD的电压，VDD连续给CF充电以补充转移到CL中的电荷，这便是2倍压电荷泵的基本事理。

当然，以上剖析过程是在空想条件下进行的，我们假定电容充电常数为0，放电常数为无穷大。
实际上，由于电源内阻、开关导通电阻、负载等成分的存在，CF与CL的充电速率总是有限的，不可能一瞬间就能将电容充满电。
换句话说，CF储存的电荷量会随着时钟周期的增加而越来越多，从CF转移到CL的电荷也会逐渐增加，而且由于损耗的存在，输出电压也达不到空想值。

我们可以利用Multisim软件平台仿真一下2倍压电荷泵电路，相应的仿真电路如下图所示（VDD=5V，CF=CL=4.7uF，电源内阻为10欧姆，负载电阻为100k欧姆，频率为20kHz）

负载RL两端的电压即为电荷泵仿真电路的输出电压，相应的波形如下图所示：

可以看到，电荷泵电路在实际事情时，VOUT上升期间总会定期地低落一点点，由于VOUT常日也是须要连接负载的。
在CF充电期间，CL总是会由于放电行为而有所低落，我们称其为纹波（ripple）。
理论上，CL的电容量越大，则VOUT的纹波也就越小，这当然是一件美好的事情，但是CL容量越大，充放电韶光常数也会变大，这会降落电路的反应速率，由于输出须要更长的韶光才能上升到所需电压。

电荷泵电路的缺陷是带负载能力并不强（相对付BOOST架构），以是纯挚的电荷泵芯片运用处所并不多，但是由于电荷泵方案不须要利用电感器，这在集成芯片中有非常大的上风。
轻微理解集成电路制造工艺的粉丝都会知道，电感器是很难集成到芯片中的，以是电荷泵方案作为芯片中某部分功能的场合运用会非常多，最经典的集成电荷泵方案的芯片便是MAX232，它可以将TTL/CMOS电平（0V为逻辑“0”，5V为逻辑“1”）转换为RS232电平标准（+3V~+15V为逻辑0，-3V~-15V为逻辑1），详细来说是由两个电荷泵电路完成的，个中之一将+5V升压到+10V，其余一个则将+10V转换为-10V，后续有机会我们再结合数据手册详细谈论其电路设计过程。

电荷泵升压方案在LCD（或OLED、EPD，本文不涉及）驱动芯片中也很常见，紧张用来给偏压电路供应高压或驱动电源，经典的SED1565、ST7920、PCD8544、SSD1773、ILI9341等等LCD驱动芯片都集成了电荷泵电路，下图为SED1565的电荷泵方案运用时的电路连接，可以实现2、3、4倍压。

级联多个2倍压电荷泵升压电路可以实现更高电压升压，但仅可以实现偶数倍升压，还有其它奇数倍升压、负向升压电路与集成电路内部实现方案，限于篇幅就不再谈论了，有兴趣的读者可以参考《显示器件运用剖析精粹：从芯片架构到驱动程序设计》，个中已经有详尽系统的阐述，估量将在11月初出版，下图为终极确定的封面。

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开关电源（2）之Boost变换器