透彻详细电荷泵升压电路的工作原理分析（配Multisim仿真验证）

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Hello，大家好，今天我们一起来讨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，公众号很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，那为什么还要讨论电荷泵方案的升压电路呢？它有什么优势呢？为什么在实际应用中很少看到单独的电荷泵升压芯片呢？为了解答这些问题，我们先来分析一下最简单的2倍压电荷泵升压电路的工作原理，相应的基本结构如下图所示：

V_DD为输入供电电源，C_F为浮置电容（Floating Capacitor，默认状态下未与任何网络连接），C_L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信号CLK₁与CLK₂控制，如下图所示

假设在初始状态下，C_F与C_L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时刻到来时，开关S₁、S₄闭合，S₂、S₃断开，此时V_DD对C_F快速充电，充满电后C_F两端的电压为V_DD，其极性为上正下负，而V_OUT暂时还没有电压，如下图所示：

当t₂时刻到来时，开关S₁、S₄断开，S₂、S₃闭合，此时V_DD与C_F两端的电压串联叠加给V_OUT供电，其值为2V_DD，C_L两端的电压也会被充电至2V_DD，如下图所示：

当t₃时刻到来时，由C_L给V_OUT提供2V_DD的电压，V_DD继续给C_F充电以补充转移到C_L中的电荷，这就是2倍压电荷泵的基本原理。

当然，以上分析过程是在理想条件下进行的，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、负载等因素的存在，C_F与C_L的充电速度总是有限的，不可能一瞬间就能将电容充满电。换句话说，C_F储存的电荷量会随着时钟周期的增加而越来越多，从C_F转移到C_L的电荷也会逐渐增加，而且由于损耗的存在，输出电压也达不到理想值。

我们可以使用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（V_DD=5V，C_F=C_L=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，电荷泵电路在实际工作时，V_OUT上升期间总会定期地下降一点点，因为V_OUT通常也是需要连接负载的。在C_F充电期间，C_L总是会因为放电行为而有所下降，我们称其为纹波（ripple）。理论上，C_L的电容量越大，则V_OUT的纹波也就越小，这当然是一件美好的事情，但是C_L容量越大，充放电时间常数也会变大，这会降低电路的反应速度，因为输出需要更长的时间才能上升到所需电压。

电荷泵电路的缺点是带负载能力并不强（相对于BOOST架构），所以单纯的电荷泵芯片应用场合并不多，但是由于电荷泵方案不需要使用电感器，这在集成芯片中有非常大的优势。稍微了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，所以电荷泵方案作为芯片中某部分功能的场合应用会非常多，最经典的集成电荷泵方案的芯片就是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），具体来说是由两个电荷泵电路完成的，其中之一将+5V升压到+10V，另外一个则将+10V转换为-10V，后续有机会我们再结合数据手册详细讨论其电路设计过程。

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，主要用来给偏压电路提供高压或驱动电源，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的电荷泵方案应用时的电路连接，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，限于篇幅就不再讨论了，有兴趣的读者可以参考《显示器件应用分析精粹：从芯片架构到驱动程序设计》，其中已经有详尽系统的阐述，下图为最终确定的封面。