深圳市丹成电子有限公司 - 电荷泵电路的结构和应用

1 电荷泵是什么？

电荷泵（charge pump），也称为开关电容式电压变换器，是一种利用“快速”（flying）或“泵送”电容（非电感或变压器）来储能的DC-DC变换器。

电荷泵能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电或放电，从而使输入电压以一定因数（比如1/2，2或3）倍增或降低，最终得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证80%以上的效率，而且只需外接陶瓷电容。

2 电荷泵的原理

电荷泵的基本原理是，通过电容对电荷的积累效应产生高压，使电流由低电势流向高电势。通俗来讲就是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。

举个形象的例子，可以把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒进另外一个大水箱。

如下图最简单的电荷泵，假设二极管为理想二极管。跨接电容A端通过二极管接Vcc，另一端B端接振幅Vin的PWM方波。当B点电位为0时，A点电位为Vcc；当B点电位上升至Vin时，因为电容两端电压不变，此时A点电位上升为Vcc+Vin。所以从图中可知，A点的电压就是一个PWM方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc。

电荷泵称为开关电容DC-DC变换器，在和基于电感的DC-DC开关电源相比较时，又称为无感式DC-DC电源变换器。电荷泵采用电容为开关和储能元件，与采用电感作为储能元件的电感式开关DC-DC转换器相比，电荷泵的主要优点如下：高效率；体积小；低静态电流；最低工作电压更低；低噪声；低电磁干扰。因为没有磁场的高速变换，即电一磁、磁一电的高速变换，而只有对电容的高速充、放电过程，电磁干扰问题几乎可以忽略；

从目前实用的硅集成技术来看，电容的集成比电感的集成更为容易和廉价，电荷泵也就更容易实现高度集成：输出电压的调节范围更大；对整体应用电路而言，成本低。电荷泵目前主要的用途：小功率倍压、电压反转应用，典型的应用如单电源的5V、3V系统为RS232等串行系统提供±12V的信号电平。

电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。在第一个阶段，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容C1充电到输入电压：

在第二阶段，开关S3和S4关闭，而S1和S2打开。因为电容C1两端的电压降不能立即改变，输出电压跳变为输入电压的两倍。

电荷泵解决方案在应用中也有缺点，其主要缺点是：只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵的转换比率最多只能达到输入电压的2倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的2倍。

稍微复杂些的电路分析：

图中升压电路解析：

• 上电时：电源+11V流过D1、D2向C3充电，C3上的电压很快升至接近11V；
• 如果Q6导通，C1负极被拉低，C1形成充电回路，会很快C1充电至11V;
• 当PWM波形翻转，Q6截止，Q3导通，C1负极电位被抬高到接近电源电压11V，水涨船高，此时C1正极电位已超过电源电压，并高于C3端电压。因为D1的存在，该电压不会向电源倒流；
• 此时开始先C3充电，C3上的端电压被充至接近2倍电源电压22V；
• 只要Q3、Q6一直轮流导通和截止，C1就会不断向C3充电，使C3端电压一直保持22V的电压。
• 电荷泵也是一种常用的负压产生电路，相比于DC-DC芯片，无电感和二极管，只需要几个电容就行，占用面积更小。但缺点是输出电流有限，噪声也较大。但负压电路一般也都是给运放供电，不需要很大电流，要求不高的场合也可以用。比如ICL7660、TPS60400等。

还有集成LDO的电荷泵芯片，如LTC3260：

电荷泵+负压LDO应用举例 GaN PA具备高效率的特点，高效率意味着低发热量，是5G基站射频功放的必然选择，有助于5G小基站的小型化。采用圣邦微的SGM3209实现正电转负电，然后采用辰达行的79L05型负电稳压器输出稳定的负电压，能够保证GaN PA稳定可靠工作。

采用SGM3209+79L05给GaN PA供电的一般电路简图如下图所示：

之所以采用SGM3209+79L05，是因为系统没用单独的负电输入，通过SGM3209，可以方便的将（3\~18）V转成负的电压值（-3V\~-18V），而79L05可以将（-5.5V\~-18V）稳定到-5V，通过电阻分压，给到GaN PA。

电荷泵SGM3209在小基站的应用特点是：输入电压宽，（3\~18）V，可转换为（-3\~-18）V，可轻易转化小基站内部的12/5V电压；电流输出达到100mA，可最多满足小基站8路GaN PA的栅极电流需求（单个GaN PA的栅极电流最大值一般小于10.5mA）;电路简单，只需要简单的匹配陶瓷贴片电容即可实现电路，其外围电路如下图所示。

 

LDO 79L05在小基站的应用特点是：输入电压宽，最高支持-35V输入；输出电流大，达到100mA，可满足绝大多数小基站的GaN PA栅压电流需求；电路简单，只需输入输出增加陶瓷贴片电容即可实现。