电荷泵的基本原理

电容是存储电荷或电能，并按预先确定的速度和时间放电的器件。如果一个理想的电容以理想的电压源%进行充电，如图1(a)所示，则电容将依据Dirac电流脉冲函数立即存储电荷，如图1(b)所示。存储的`总电荷数量按下式计算。

实际的电容具有等效串联阻抗(ESR)和等效串联电感(ESL)，两者都不会影响到电容存储电能的能力。然而，它们对开关电容电压变换器的整体转换效率有很大的影响。实际电容充电的等效电路如图1(c)所示，其中Rs.是开关的电阻。ESL为实际的电容等效串联电感，则在电容的充电电流路径上具有串联电感，通过适当的器件布局设计可以减小这个串联电感。

图1 电荷泵工作的基本原理图

如图2(a)所示的电路一旦被加电，由于电容的寄生效应限制了峰值充电电流，并增加了电荷转移时间，因此电容的电荷累积不能立即完成，这意味着电容两端的初始电压变化为零。电荷泵就是利用了这种电容特性来工作的。

图2 电荷泵电路及其工作波形

电压变换在两个阶段内得以实现。在第一个阶段期间，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容充电到其值等于输入电压。

在第二个阶段，开关S3和s4关闭，而S1和S2打开。因为电容两端的电压降不能立即改变，输出电压则跳变到输入电压值的两倍，即

使用这种方法可以实现电压的倍压，通常开关信号的占空比为50%时，能产生最佳的电荷转移效率。

图2(b)中显示了图(a)电路实现电压倍压的稳态电流和电压波形。如图(a)所示电路在第一阶段时，充电电流会流入到C1中。该充电电流的初始值决定于电容C1两端的初始电压、C1的ESR及开关的电阻。在C，充电后，充电电流呈指数级地降低。充电时间常数是开关周期的几倍，更小的充电时间常数将导致峰值电流的增加。在这个时间内，输出电容CHOLD线性放电以提供负载电流。

在第二阶段，C1+连接到输出端，放电电流(电流大小与前面的充电电流相同)通过C1流到负载。在这个阶段，输出电容电流的变化大约为2IOUT。尽管这个电流变化应该能产生的输出电压变化为2IOUT×ESRCHOLD，但使用低ESR的陶瓷电容使得这种变化可以忽略不计。此时，CHOLD线性地充电。当C1连接到输入和地之间时，CHOLD线性地放电。总的输出纹波峰-峰电压值为