電荷泵電路動作原理及特點

電荷泵電路通常又稱為切換式電容轉換器(Switched capacitor converter)包含二極管或切換開關與電容的切換網路，圖2為電荷泵IC之使用電路，IC內部具有兩個可控式開關與振蕩器，其外部接兩個電容C1、C2，此電路亦可由離散元件組成如圖3(a)所示，只要一個振蕩器，如NE555與一個邏輯反向，如4009UB及兩個二極管D1、D2和兩個電容C1、C2即可組成簡單的電荷泵電路。其動作原理如下∶

(1)若控制脈沖為低電平時，其反向輸出為高電平，其等效電路如圖3(b)所示，此時D1乃順向偏壓，D2為逆向偏壓，C1的跨壓Vc1最高可充電至Vc1-(Vcc-Vd)的電壓量，式中的Vd為二極管的順向偏壓，此時的電流方向如圖上的I所示。

(2)當控制脈沖為高電平時，其反向輸出為低電平，此時C1的跨壓Vc1的正端相當於接地，如等效電路圖3(c)所示，此時D1為逆向偏壓，而D2為順向偏壓，承接剛才的C1跨壓，C2最高可充電至-(Vcc-2Vd)的電壓，而其電壓對應於接地是負的。

其中C1飛輪電電容來回移動，電荷由輸入至輸出，而C2儲能電容穩住電荷，對輸出電壓有穩定作用。在此電路，可以控制脈沖的充電周期來達到理想的輸出。

然而電荷泵的電路除應用於降壓外，仍可應用於升壓，以MAXIM公司出品的IC編號為MAX619的電荷泵IC為例，如圖4所示。其操作原理如下∶

(1)當開關SW1、SW3與SW7、SW5導通，而其他開關打開(OFF)時，其C1、C2各自充電至大小約為V1的電壓。

(2)承上個狀態，當開關SW2、SW4、SW6導通，而其他開關打開(OFF)時，前狀態所充的約V1大小的電壓和電容C1、C2上的電壓串聯起來對C4電容充電而得到輸出電壓Vo其最高可充至VI的3倍電壓。

MAX619的使用規格為1.8V-3.6V時，輸出可為5V/20mA，而輸入大於3V時，輸出可為5V/50mA，其消耗功率如下式∶Powerloss = Iout×[(2或3)VI-Vo]其消耗功率端視放大後的電壓(2或3)VI和Vo的差壓及輸出電流Iout大小而定，由電路都是電容元件，此電路的效率會比低壓降轉換器(LDO)高得多，而且電路架構不需要電感，且其使用電容可用陶瓷電容即可。因此電磁干擾小，體積及價格上亦較電感低，在便攜式電源的設計當中占有極重要的角色。

電荷泵電路的特點如下∶

· 容易使用∶除輸入輸出端各加一個電源外，再加一個泵電容(Cpump)即可。

· 相較於LDO，電路效率較高。

· 低EMI或輸出紋波。

· 輸出電源的瓦數和VI/Vout電壓比值受限。

· 價錢中等。

常用的電荷泵電路IC如TI的TPS601XX~TPS603XX，　特公司的LTC1682、LTC1516/17，或MAXIM的/1912/1916，ON semiconductor的NCP5603等都是。

圖2. 電荷泵IC 之使用電路

圖3(a). 簡單的電荷泵電路

圖3(b). 控制脈沖(CLK)為低電平時的等效電路

圖3(c)、控制脈沖(CLK)為高電平時的等效電路