原標題：充電泵電路介紹

充電泵電路（Charge Pump）是一種基于電容儲能與開關切換實現電壓轉換的DC-DC變換器，無需電感元件即可完成升壓、降壓或反相功能。其核心原理是通過周期性控制開關陣列，利用電容的充放電特性改變電壓極性或幅值，具有結構簡單、成本低、靜態功耗小等優勢，廣泛應用于便攜設備、射頻電路、低功耗芯片供電及模擬信號處理等領域。

一、基本工作原理

充電泵的核心由開關陣列、儲能電容（飛電容）和輸出濾波電容構成，通過時鐘信號控制開關狀態，交替完成充電與放電過程：

1. 充電階段
   開關陣列將飛電容與輸入電壓源連接，使電容極板充電至輸入電壓值。例如，在升壓電路中，飛電容C1的正極接輸入VIN，負極接地，電容被充電至VIN。

2. 放電階段
   開關切換改變飛電容的連接方式，將其與輸出端串聯或并聯，釋放存儲的電荷。例如，在升壓電路中，C1的正極改接輸出端，負極接輸入VIN，此時輸出端電壓為VIN（電容電壓）疊加VIN（輸入電壓），形成2倍升壓（2VIN）。

通過高頻切換（典型頻率100kHz-1MHz），輸出端經濾波電容平滑后，即可得到穩定的直流電壓。整個過程僅依賴電容充放電，避免了電感元件的磁芯損耗與電磁干擾（EMI）。

二、核心拓撲結構

充電泵根據功能可分為三種主要拓撲：

1. 升壓型（Boost）

• 原理：通過開關切換使飛電容在充電時存儲輸入電壓，放電時與輸入電壓串聯疊加，輸出電壓為輸入電壓的整數倍（如2倍、3倍）。

• 應用：驅動OLED屏幕背光、無線充電發射端、射頻功率放大器（需高電壓）。

2. 反相型（Inverting）

• 原理：飛電容充電時一端接輸入正極，另一端接地；放電時一端接輸入正極，另一端接輸出端，使輸出端積累負電荷，生成與輸入電壓極性相反的輸出。

• 應用：為運算放大器提供負電源（如+5V→-5V）、音頻電路偏置電壓。

3. 分壓型（Voltage Divider）

• 原理：利用電容分壓網絡將輸入電壓降低至一半或更低。例如，輸入5V時，通過兩個電容串聯分壓可得到2.5V輸出。

• 應用：為低功耗傳感器供電、ADC參考電壓生成。

三、核心優勢與局限性

1. 優勢

• 結構簡單：僅需電容與開關元件（通常集成于芯片內部），體積小、成本低，適合高度集成化設計。

• 靜態功耗低：無電感元件的磁芯損耗，空載時僅消耗開關驅動電流（典型值<1μA），延長電池壽命。

• 響應速度快：電容充放電時間常數小，可快速跟蹤負載電流變化，適用于瞬態負載場景。

• 電磁干擾（EMI）低：無電感開關產生的輻射噪聲，簡化EMI濾波設計。

2. 局限性

• 輸出電流受限：輸出電流過大時，電容充放電時間延長，導致輸出電壓跌落。典型充電泵芯片輸出電流多在100mA-500mA范圍內，高電流需求需并聯多相電路或改用電感型DC-DC。

• 紋波較大：開關切換引起的電荷轉移會在輸出端產生紋波（典型值10mV-50mV），需額外濾波電容抑制。

• 效率波動：升壓模式下，輸出電壓越高，開關損耗占比越大，效率可能低于70%；反相模式效率通常優于升壓模式。

• 電容選型敏感：需選擇低等效串聯電阻（ESR）的陶瓷電容（如X7R/X5R材質），否則可能引發振蕩或效率下降。

四、典型應用場景

1. 便攜設備供電

• 智能手機/可穿戴設備：生成LCD偏置電壓（如-15V）、攝像頭傳感器供電（如6V）或音頻放大器負電源，替代笨重的電感元件，節省PCB空間。

• 無線耳機：通過升壓充電泵將鋰離子電池電壓（3.0V-4.2V）提升至5V，為藍牙芯片供電。

2. 射頻與模擬電路

• 射頻功率放大器（PA）：將3.3V輸入升壓至6V，提升發射功率。

• 運算放大器：生成±12V雙電源，擴展信號動態范圍。

3. LED驅動

• 背光顯示：通過升壓充電泵驅動多串LED（如3.3V→9V），實現均勻亮度控制。

• 手電筒電路：將單節電池電壓升壓至3V以上，驅動高亮度LED。

4. 存儲器供電

• DDR內存：生成1.8V/2.5V核心電壓或VTT終端電壓，滿足低功耗與高穩定性需求。

五、設計優化技巧

1. 電容選型

• 飛電容：選擇耐壓值高于輸入電壓1.5倍的陶瓷電容（如10μF/16V X7R），兼顧容量與低ESR。

• 輸出電容：并聯陶瓷電容（0.1μF-10μF）與電解電容（100μF-470μF），抑制高頻紋波與低頻波動。

2. 布局優化

• 將高頻回路（開關管、飛電容、二極管）盡量靠近芯片，縮短走線長度以降低寄生電感。

• 功率地（PGND）與信號地（SGND）單點連接，避免大電流干擾基準電壓。

3. 效率提升

• 輕載模式：當負載電流低于閾值時，芯片自動切換至突發模式（Burst Mode），減少開關損耗。

• 同步整流：用MOSFET替代二極管進行整流，降低導通損耗（如從0.5V降至0.05V），提升輕載效率。

充電泵電路以電容為核心，通過開關切換實現靈活的電壓轉換，其簡單、高效、低噪聲的特性使其成為低功耗、小體積電源設計的理想選擇。隨著集成電路技術的發展，單芯片充電泵（如MAX1759、LTC3260）已集成軟啟動、過流保護及低功耗模式，進一步拓展了其應用范圍。