电荷泵电压反转器是⼀种DC/DC变换器，它将输⼊的正电压转换成相应的负电压，即VOUT= -VIN。另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输⼊电压，即VOUT≈2VIN。由于它是利⽤电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（Charge Pump Converter）。 电荷泵的应⽤
电荷泵转换器常⽤于倍压或反压型DC-DC 转换。电荷泵电路采⽤电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体⼯艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。
电荷泵电路主要⽤于电压反转器，即输⼊正电压，输出为负电压，电⼦产品中，往往需要正负电源或⼏种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。采⽤电压反转式电路可以在便携式产品中省去⼀组电池。由于⼯作频率采⽤2～3MHz，因此电容容量较⼩，可采⽤多层陶瓷电容（损耗⼩、ESR 低），不仅提⾼效率及降低噪声，并且减⼩电源的空间。
虽然有⼀些DC/DC 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺⼨⼩，并且转换效率⾼、耗电少，所以它获得了极其⼴泛的应⽤。
⽬前不少集成电路采⽤单电源⼯作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能⼯作。例如，D/A 变换器电路、
A/D 变换器电路、V/F或F/V 变换电路、运算放⼤器电路、电压⽐较器电路等等。⾃INTERSIL公司开发出ICL7660电压反转器IC后，⽤它来获得负电源⼗分简单，90 年代后⼜开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采⽤电池供电的便携式电⼦产品来说，采⽤电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）⽅⾯起到极⼤的作⽤。现在的电荷泵可以输出⾼达250mA的电流，效率达到75%(平均值)。 电荷泵⼤多应⽤在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝⽛系统和便携式电⼦设备。便携式电⼦产品发展神速，对电荷泵变换器提出不同的要求，各半导体器件公司为满⾜不同的要求开发出⼀系列新产品，本⽂将作⼀个概况介绍。
电荷泵的分类
电荷泵可分为：
·开关式调整器升压泵，如图1(a)所⽰。
·⽆调整电容式电荷泵，如图1(b)所⽰。
·可调整电容式电荷泵，如图1(c)所⽰。
图1 电荷泵的种类
电荷泵⼯作过程
3 种电荷泵的⼯作过程均为：⾸先贮存能量，然后以受控⽅式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采⽤电感器来贮存能量，⽽电容式电荷泵采⽤电容器来贮存能量。
电荷泵的结构
电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、⽐较控制器实现电压提升，采⽤电容器来贮存能量。电荷泵是⽆须电感的，但需要外部电容器。由于⼯作于较⾼的频率，因此可使⽤⼩型陶瓷电容(1mF)，使空间占⽤⼩，使⽤成本低。电荷泵仅⽤外部电容即可提供±2 倍的输出电压。其损耗主要来⾃电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的
RDS(ON)。电荷泵转换器不使⽤电感，因此其辐射EMI可以忽略。输⼊端噪声可⽤⼀只⼩型电容滤除。它的输出电压是⼯⼚⽣产精密预置的，调整能⼒是通过后端⽚上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供⾜够的活动空间。电荷泵⼗分适⽤于便携式应⽤产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看，如图2 所⽰它实际上是⼀个⽚上系统。
图2 电容式电荷泵内部结构
图2 电容式电荷泵内部结构
电荷泵⼯作原理
电荷泵变换器的基本⼯作原理如图3所⽰。它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，外接两个电容C1、C2 构成电荷泵电压反转电路。
图3 电荷泵变换器的基本⼯作原理
破窗锤振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1及S2；此脉冲经反相器反相后控制S3及S4。当S1、S2 闭合时，S3、S4 断开；S3、S4 闭合时，S1、S2 断开。
当S1、S2 闭合、S3、S4 断开时，输⼊的正电压V+向C1 充电（上正下负），C1 上的电压为V+；当S3、S4闭合、
S1、S2断开时，C1向C2放电（上正下负），C2上充的电压为-VIN，即VOUT=-VIN。当振荡器以较⾼的频率不断控制S1、S2 及S3、S4 的闭合及断开时，输出端可输出变换后的负电压（电压转换率可达99%左右）。
电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将有变化。输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）称为输出特性曲线，其特点是输出电流越⼤，输出电压变化越⼤。热压设备
⼀般以输出电阻Ro来表⽰输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到Io时，输出电压变化为△V，则输出电阻Ro 为： Ro = △V/Io
输出电阻Ro 越⼩，输出电压变化越⼩，输出特性越好。
如何选择电荷泵
1、效率优先，兼顾尺⼨
如果需要兼顾效率和占⽤的 PCB ⾯积⼤⼩时，可考虑选⽤电荷泵。例如电池供电的应⽤中，效率的提⾼将直接转变为⼯作时间的有效延长。通常电荷泵可实现 90% 的峰值效率，更重要的是外围只需少数⼏个电容器，⽽不需要功率电感器、续流⼆极管及 MOSFET。这⼀点对于降低⾃⾝功耗，减少尺⼨、BOM 材料清单和成本等⾄关重要。
2、输出电流的局限性
电荷泵转换器所能达到的输出负载电流⼀般低于 300mA，输出电压低于 6V。多⽤于体积受限、效率
要求较⾼，且具有低成本的场合。换⾔之，对于 300mA 以下的输出电流和 90% 左右的转换效率，⽆电感型电荷泵 DC/DC 转换器可视为⼀种成本经济且空间利⽤率较⾼的⽅式。然⽽，如果要求输出负载电流、输出电压较⼤，那么应使⽤电感开关转换器，同步整流等 DC/DC 转换拓扑。
3、较低的输出纹波和噪声
血压袖带⼤多数的电荷泵转换器通过使⽤⼀对集成电荷泵环路，⼯作在相位差为 180 度的情形，这样的好处是最⼤限度地降低输出电压纹波，从⽽有效避免因在输出端增加滤波处理⽽导致的成本增加。⽽且，与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相⽐，电荷泵产⽣的噪声更低些。对于 RF 或其它低噪声应⽤，这⼀点使其⽆疑更具竞争优势。
电荷泵选⽤要点
作为⼀个设计⼯程师选⽤电荷泵时必然会考虑以下⼏个要素：
1.转换效率要⾼
太阳活动预报中心2.⽆调整电容式电荷泵 90%
3.可调整电容式电荷泵 85%
4.开关式调整器 83%
4.开关式调整器 83%
5. 静态电流要⼩，可以更省电；
6.输⼊电压要低，尽可能利⽤电池的潜能；
7.噪⾳要⼩，对⼿机的整体电路⽆⼲扰；
8.功能集成度要⾼，提⾼单位⾯积的使⽤效率，使⼿机设计更⼩巧；
9.⾜够的输出调整能⼒，电荷泵不会因⼯作在满负荷状态⽽发烫；
10.封装尺⼨⼩是⼿持产品的普遍要求；
11.安装成本低，包括周边电路占PCB 板⾯积⼩，⾛线少⽽简单；
12.具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。
新型电荷泵变换器的特点
80 年代末90 年代初各半导体器件⼚⽣产的电荷泵变换器是以ICL7660为基础开发出⼀些改进型产品，如MAXIM 公司的MAX1044、Telcom 公司的TC1044S、TC7660 和LTC 公司的LTC1044/7660等。这些改进型器件功能与ICL7660相同，性能上有改进，管脚排列与ICL7660完全相同，可以互换。
这⼀类器件的缺点是：输出电流⼩；输出电阻⼤；振荡器⼯作频率低，使外接电容容量⼤；静态电流⼤。
90 年代以后，随着半导体⼯艺技术的进步与便携式电⼦产品的迅猛发展，各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性能⽅⾯都有较⼤改进，并开发出⼀些专⽤的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为：1. 提⾼输出电流及降低输出电阻
早期产品ICL7660在输出40mA时，使-5V 输出电压降为-3V（相差2V），⽽新型MAX660输出电流可达100mA，其输出电阻Ro仅为6.5Ω，MAX660在输出40mA时，-5V输出电压为-4.74V（相差仅0.26V），即输出特性有较⼤的提⾼。MAX682 的输出电流可达250mA，并且在器件内部增加了稳压电路，即使在250mA 输出时，其输出电压变化也甚⼩。这种带稳压的产品还有AD 公司的ADM8660、LT 公司的LT1054 等。
2. 减⼩功耗
为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽可能减⼩器件的静态电流。近年来，开发出⼀些微功耗的新产品。ICL7660 的静态电流典型值为170µA，新产品TCM828的静态电流典型值为50µA，MAX1673 的静态电流典型值仅为35µA。另外，为更进⼀步减⼩电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使器件耗电降到1µA 以下，另外关闭负电源后使部分电路不⼯作⽽进⼀步达到减少功耗的⽬的。例如，MAX662A、AIC1841 两器件都有关闭功能，在关闭状态时耗电< 1µA，⼏乎可忽略不计。这⼀类器件还有TC1121、TC1219、ADM660 及ADM8828等。
3. 扩⼤输⼊电压范围
ICL7660电荷泵电路的输⼊电压范围为1.5～10V，为了满⾜部分电路对更⾼负压的需要，已开发出输⼊电压可达18及20V的新产品，即可转换成-18 或-20V的负电压。例如，TC962、TC7662A 的输出电压范围为3～18V，ICL7662、
Si7661 的输⼊电压可达20V。
4. 减少占印板的⾯积
减少电荷泵变换器占印板⾯积有两种措施：采⽤贴⽚或⼩尺⼨封装IC，新产品采⽤SO封装、µMAX封装及开发出尺⼨更⼩的SOT-23封装；其次是减⼩外接电容的容量。输出电流⼀定时，电荷泵变换器的
外接电容的容量与振荡器⼯作频率有关：⼯作频率越⾼，电容容量越⼩。⼯作频率在⼏kHz到⼏⼗kHz时，往往需要外接10µF的泵电容；新型器件⼯作频率已提⾼到⼏百kHz，个别的甚⾄到1MHz，其外接泵电容容量可降到1～0.22µF。
ICL7660 ⼯作频率为10kHz，外接10µF电容；新型TC7660H 的⼯作频率提⾼到120kHz，其外接泵电容已降为1µF。MAX1680/1681 的⼯作频率⾼达1MHz，在输出电流为125mA 时，外接泵电容仅为1µF。TC1142 ⼯作频率200kHz，输出电流20mA 时，外接泵电容仅为0.47µF。MAX881R ⼯作频率100kHz，输出电流较⼩，其外接泵电容仅为
0.22µF。
偏心轮机构
若采⽤SOT-23 封装的器件及贴⽚式电容，则整个电荷泵变换器的⾯积可做得很⼩。
5. 输出负电压可设定（调整）游戏同步器
⼀般的电荷泵变换器的输出负电压VOUT = -VIN，是不可调整的，但新型产品MAX1673可外接两个电阻R1、R2来设定输出负电压。输出电压VOUT 与R1、R2 的关系为：
VOUT = -(R2/R1)VREF
式中VREF为外接的基准电压。MAX881R、ADP3603～ADP3605、AIC1840/1841 等都有这种功能。
6. 两种新型的四倍压器件
MAX662A是⼀种输⼊5V 电压输出12V 带稳压的电荷泵变换器，输出电流可达30mA，它⽤于闪速存储器编程电源（Flash Memory Programming Supply）。该器件实际上是经两次倍压（四倍压）后其经稳压后输出。
LTC1502 是另⼀种⼯作原理与MAX662A 相同的四倍压器件（它是LT 公司1999 年⼀季度推出的新产品）。该器件⽤⼀节可充电电池或⼀节碱性电池就可输出3.3V 稳定的电压。另外，它最低的输⼊电压为0.9V，可充分利⽤电池的能量。输出电压精度为3.3V±4%，输出电流为10mA。该器件静态电流仅为40µA，并有关闭电源控制，外围元件仅5 个电容，若采⽤贴⽚式电容，整个电源⾯积⼩于0.125 平⽅英⼨。
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