虽然常见的许多今天的DC-DC能量转换器，电荷泵电压转换器主要是在其倍频器和逆变器配置。本文重点介绍分压器配置，它将给定的输入电压精确地除以2。在简要回顾了电荷泵的基本原理之后，我们将介绍两种应用:从两个锂电池高效地产生3.3V的调节电压，以及从10V高效地衍生出5V电源。

电荷转移过程

就像基于磁的转换器使用电感一样，电荷泵转换器使用电容器来存储和传输能量。对于最新的电荷泵转换器，半导体技术的最新进展已经突破了1MHz的工作频率限制。更高的频率允许更小的组件，多层陶瓷电容器(MLCC)技术的同步进步使转换器的结构变得更小。它们的低组件高度允许适用于PCMCIA卡的薄转换器。

电荷泵有两种基本拓扑，倍频器和逆变器，两者的特征都是两步能量传递(图1)。在每种情况下，输入电容器(C(I))都确保来自本地源的低阻抗，因此能够提供高水平的瞬态电流。为了避免由于寄生电感引起的电压下降，最好将这个电容器连接在非常靠近转换器的地方。

图1所示。这些基本组件说明了电荷转移过程。

C(F)通常被称为“飞行电容器”。在步骤1中，当开关S1和S2闭合，S3和S4断开时，C(F)穿过输入电压直接连接。S1到S4开关应具有非常低的串联电阻。然后电荷在C(I)和C(F)之间转移，直到它们的电压值和极性相等。因为S1和S2不是理想的开关，大部分电荷转移需要有限的时间来完成。在此间隔之后，假设输入发生器具有非常低的源阻抗，则C(F)获得的电压(几乎)等于输入电压V(A) - V(B)。

步骤2包括打开S1和S2，关闭S3和S4。为了安全起见，在两个步骤之间引入了延迟，以避免转换器左右部分之间的短暂连接。当S3和S4闭合时，C(F)与输出电容器C(O)转移电荷，直到这两个电容器的电压达到相同的值。同样，交换的持续时间取决于S3和S4中的串联电阻。为避免寄生电感的影响，C(F)和C(O)应与其他元件紧密相连。然后电荷从C(F)转移到C(O)，前提是输出节点连接到正常负载(而不是发电机)。

因此，C(I)将有限的电荷转移给C(F)，然后C(F)连接到C(O)。如果步骤1和步骤2重复足够多的次数(并且如果输出没有短路)，则C(O)上的电压接近C(I)上的电压。电路使输入和输出节点之间的差分电压相等。这一特性使得具有高侧驱动器和大量其他应用的电压发生器的构建成为可能，其中电压逆变器和倍频器是最简单的。

逆变器由节点C与节点B连接得到，节点B通常作为接地基准。V(a) - V(b) = V(c) - V(d)所以如果V(B) = V(C) =地面，那么V(D) = -V(A)。由于节点C和B是常见的，因此可以在6针封装中安装此功能加上关闭输入。例如，Maxim的MAX1697电荷泵逆变器从6引脚SOT23封装提供高达60mA的输出电流。

通过将节点D连接到节点A得到倍频器。V(C) - V(A) = V(A) - V(B)，因此V(C) - V(B) = 2(V(A) - V(B))。如果V(B)等于地，则V(C) = 2V(A)。作为Maxim 电荷泵倍频器系列中的一个例子，MAX1682 5引脚SOT23器件可以产生两倍的输入电压，同时提供高达45mA的电压。

通过正确的连接，其他设备也可以配置为逆变器模式和倍频模式。例如，8引脚SO封装的MAX1681可以提供高达125mA的电源。由于工作频率接近1MHz，该器件的陶瓷电容器小至1µF。

交换机S1 ~ S4可采用多种技术构建。Maxim部件采用真正的MOS开关，当关闭时允许电流在任何方向通过。这个特性有一个有趣的分支，因为它允许能量从输出转移到输入，以及从输入转移到输出。

分压器原理

上面的每个例子产生的输出电压是输入电压的两倍。另一种已知多年的方法是将输入电压除以2(图2)。与图1类似的标签和符号显示了这种拓扑与图1之间的差异。如果将B和C视为虚地，则图2电路可视为逆变器。(在这种情况下，负输出为节点d)如果将B和C作为输入，节点a作为输出，则电路也可以被视为倍频器。

图2。分压器拓扑结构可以看作是逆变器或倍频器。

无论哪种方式，电荷泵都会不断尝试在C(I)和C(O)上保持相等的电压，无论电容器的值是否相差很大。如果电荷泵没有内部损耗，也没有输出电流，则(V(A) - V(B))和(V(C) - V(D))之间的恒等式是精确的。电荷泵分压器(和乘法器)的这种特性确保了非常精确的电压比，而不需要考虑元件的精度。一个有用的应用是从其正对应物产生负电压，而没有与运放及其电阻网络相关的精度损失。

这种电路的另一个有用的特性是它的输出电阻非常低。要评估此参数，请考虑图1中逆变器等电路的输出电阻(R(O))的定义。R(O) = [(V(C)-V(D)) open - (V(C)-V(D))]/I(O)，其中I(O)为有效输出电流。在逆变器和倍频器方案中，(V(C)-V(D))开路等于(V(A) -V(B))，因为输入发生器应该具有非常低的内部阻抗。对于输出电流，(V(A) - V(B))在这些配置中变化不大。

图2中的分路器配置不是这种情况，其中恒定输入电压为(V(A) - V(D))。输出电压(V(C) - V(D))的每一个下降都由一个相等且相反的电压(V(A) - V(B))来补偿。这样，分压器的输出电阻增加了两倍。仔细观察示意图，我们看到通过电荷泵调节器的总电流不是I(O)，而是I(O)/2，因为在平衡状态下，没有直流电流可以流过C(I)， C(F)或C(O)。步骤1中C(I)接收的电荷全部转移给C(O)， C(F)为介质。然后电荷从C(O)转移到输出电路。由Ve传递给C(I)的电荷继续通过节点B并加入总输出电流。在平衡状态下，电荷和相关电流的值相等。

根据能量守恒定律，输入电压为I(O)/2，输出电流为I(O)。这再次将输出电阻提高了两倍，这意味着分压器的输出电阻是倍频器或逆变器配置的四分之一。(电荷泵逆变器的输出电阻可以近似为R(O) = T(OSC)/C(F) + 2R(SW) + 4ESR(CF) + ESR(C0)，其中T(OSC)为开关周期时间，R(SW)为开关电阻之和，ESR(CF)和ESR(C0)分别为飞行电容和输出电容的寄生串联电阻。)这个特性非常有趣，因为分压器具有两象限能力:它可以将能量从输出传递到输入，也可以将能量从输入传递到输出。

利用好两个锂离子(Li+)电池串联

为了给印刷设备等子系统供电，一些便携式产品要求供电电压大于7.5V。这一要求要求高振幅、短持续时间的电流脉冲，但还不够短，不能依赖于局部电容。一种解决方案是串联两个Li+电池，提供8.4V的低源阻抗。产品的数字和部分通常需要的低压电源，然后可以使用线性稳压器从8.4V导出。

这种方法虽然简单，但效率并不高。印刷操作通常不频繁，但8.4V必须持续供应低压轨。克服此问题的一种简单且节省电路板的方法是使用图3中的电路。IC1是一款6引脚SOT23逆变器，在基本逆变器模式下可提供高达60mA的电源，典型输出阻抗为12欧姆。“U”后缀表示运行在250kHz的IC需要不大于1µF的电容，并在该条件下显示30mV(P-P)的典型输出纹波。

图3。该电路将8.4V电池电压分成两个，并使用LDO线性稳压器(IC2)从4.2V导出3.3V。

“二分路”方案提供120mA的输出电流能力，比线性稳压器(4.2V输出最高50%)的效率高得多(典型为83%)。更敏感的电路由低压差(LDO)线性稳压器IC2提供。由于采用10nF电容器C2, IC2的典型宽带RMS噪声仅为30µV。在电路的这一边，能量传递显然是不可逆的，因为LDO电流只能从输入流向输出。

两个输出电流之和(不超过120mA)由MAX1697U提供，典型输出阻抗为3欧姆。推荐使用低esr陶瓷电容器，以在最宽的温度范围内获得最佳性能。这些小型电容器采用eia型CC0603封装，尺寸与两个SOT23封装兼容。

250mA，二象限电压分配器

视频应用通常需要10V电源以及数字和低压电路的5V电源。图4中的电荷泵逆变器输出电流高达125mA，输出阻抗低至3.5欧姆。该电路还通过均匀地分割10V到11V的输入电压来提供5V。

图4。单个IC的输出电压为输入电压的一半，输出电压为250mA。

分路器方案的输出阻抗不大于0.9欧姆，表示在全输出电流下的最大降为225mV。4个高功率开关S1至S4位于8引脚SO封装中，可轻松耗散满负荷时10%的能量损失。今天的2.2µF陶瓷电容器适合EIA CC0805封装，有些甚至更小。电容值的进一步增加除了减少输出纹波之外没有任何主要优势。

这个基本电路是完全可逆的，这意味着输出可以吸收电流并将能量发送回输入电压。您可以将LDO线性稳压器与5.5V输出串联起来，以提供不能容忍纹波的负载。p通道LDO稳压器，如MAX603，在200mA时最大降压为220mV，非常适合此目的。

预防措施

Maxim最近推出的所有电荷泵都从光刻工艺的新进展和这些工艺中发生的收缩中获得了令人印象深刻的性能。折衷是降低几乎所有器件的绝对最大电压，对于前面提到的(V(a) - V(B))和(V(C) - V(D))差分电压降至6V。必须注意尊重这些最高限度。为了防止电压尖峰，所有电容器(输入、飞行和输出)应尽可能靠近适当的电路引脚。大宽度铜线的寄生电感较低，提高了能量传递效率。