电容如何能做升压？（电荷泵的工作原理及特性）
目录
一、电荷泵
二、电荷泵工作原理
1、 倍压型电荷泵
2、 稳压型电荷泵
1、 开关调整稳压型电荷泵
2、 LDO稳压型电荷泵
3、 反向型电荷泵
三、 电荷泵的优劣势
1）成本
2）效率
3）噪声
4）面积及EMI
5）输出电流
一、电荷泵
电荷泵（charge pump），也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。
二、电荷泵工作原理
首先我们简单讲解下电荷泵基础工作原理，也就是自举电路原理。
设D1、D2为理想二极管。
1）Vb输出0V时，Va向C1、C2电容充电，最终C1、C2电压为Va；
2）Vb输出Vb时，C1电压突变为Va+Vb。此时C2为Va，小于C1电压。C1向C2充电，最终C1、C2电压为Va+△V1；
3）Vb再次输出为0V，C1电压突变为Va+△V1-Vb。Va向C1电容充电，最终C1为为Va，C2为Va+△V1；
4）Vb再次输出Vb时，C1电压突变为Va+Vb。此时C2为Va+△V1，小于C1电压。C1向C2充电，最终C1、C2电压为Va+△V1+△V2；
5）以此类推，经过若干个周期后，Vc=Va+Vb。
同样若想获得一个更低的负压，该如何做呢？
原理是一样的，Va为负压，则调整二极管方向如下，最终Vc=Va-Vb。
了解了电荷泵的工作原理。根据电力转换分类，我们将简单说下三种类型的电荷泵。
- 1）倍压型电荷泵。
- 2）稳压型电荷泵。
- 3）反向型电荷泵。
1、 倍压型电荷泵
最常见的倍压型电荷泵为二倍压电荷泵。
二倍压电荷泵升压电路如下图所示：
二倍压电荷泵升压的工作原理就是自举电路原理的一样。只不过使用4个晶体管替代了二极管的作用。
1）VDD为输入供电电源，CF为flying电容，CL为储能电容，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。
2）在充电阶段，开关S1/S4闭合（导通），S2/S3打开（关断）。flying电容CF被充电到输入电压VDD，并储存能量，储存的能量将在下一个放电阶段被转移。储能电容CL，在上一个放电周期就已经被从CF转移过来的能量充电到2VDD电压，并提供负载电流。
3）在放电阶段，开关S1/S4打开，S2/S3闭合。CF的两端的总电压现在成为2VDD（这也是二倍压电荷泵名称的由来）。然后，CF放电将充电阶段存储的能量转移到CL，并且提供负载电流。
如果我们想使用电荷泵获得更多倍数的电压该如何做呢？
使用自举电路套娃即可，如下图所示。
2、 稳压型电荷泵
稳压型电荷泵相当于倍压型电荷泵+调整电路。
我们充电宝一般就使用的就是稳压型电荷泵。同学们可以想想是为什么?
一般有倍压型电荷泵+开关调整和倍压型电荷泵+LDO两种。
1、 开关调整稳压型电荷泵
开关调整稳压型电荷泵工作原理与Buck型DC/DC类型。当Vout＜设定电压时，进入充电阶段。当Vout＞设定电压时，进入放电阶段。下图为一典型的开关调整稳压型电荷泵框图 。
2、 LDO稳压型电荷泵
LDO稳压型电荷泵工作原理为将电源倍压完成后，通过LDO稳压输出。下图为一典型的LDO稳压型电荷泵框图 。
3、 反向型电荷泵
反向型电荷泵的作用就是正电源转负电源或负电源转正电源。
掌握了倍压型电荷泵后，再看反向型电荷泵就简单了。相等于调整了开关的接地位置。工作原理如下：
1）充电阶段，开关S1/S2闭合（导通），S3/S4打开（关断）。flying电容CF被充电到输入电压Vin。
2）放电阶段，开关S1/S2打开（关断），S4/S4闭合（导通）。flying电容CF电压翻转为-Vin，放电给储能电容CL。Vout=-Vin。
同学们可以思考下如何想要获得反向倍压电荷泵和反向稳压电荷泵？
三、 电荷泵的优劣势
1）成本
电荷泵的控制电路简单，电容成本也低于电感，故设计复杂度及成本上电荷泵都具有优势。
2）效率
非调整型的电荷泵的效率一般高于电感性开关稳压器；
调整型的电荷泵的效率是低于电感性开关稳压器。
3）噪声
非调整型的电荷泵的噪声一般高于电感性开关稳压器；
调整型的电荷泵的噪声是低于电感性开关稳压器。
4）面积及EMI
电荷泵不使用电感，电容面积也小于电感，故EMI及面积上具有优势。
5）输出电流
电荷泵储能器件为电容，没有续流，故输出电流较低。
