电荷泵技术知识
电荷泵的分类、工作原理
电荷泵分类
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
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。
图2电容式电荷泵内部结构
电荷泵的工作原理
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。
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：
* 转换效率要高
无调整电容式电荷泵 90%
可调整电容式电荷泵 85%
开关式调整器 83%
*
静态电流要小，可以更省电；
*
输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；
* 噪音要小，对手机的整体电路无干扰；
* 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；
* 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；
*
封装尺寸小是手持产品的普遍要求；
*
安装成本低，包括周边电路占PCB板面积小，走线少而简单；
* 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。
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
。
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）。
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。
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。
基本工作原理
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：电荷荷电压反转器工作原理
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）。
由图3可知，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。电荷
泵电压反转器TC1044S的输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）如图4所示。由图4
可清楚看出：输出电流越大，输出电压变化越大。
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。在图2中可以看出：输出电流
为零时，输出电压为-5V；当输出电流Io为20mA时，输出电压变成-4V，则平均输出电阻Ro
为：
图4：输出电压与输出电流的关系
Ro = [-4-(-5)]/20mA = 50Ω
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0.47
μF。MAX881R工作频率100kHz，输出电流较小，其外接泵电容仅为0.22μF。
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）
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，如图5所示。输出电压VOUT与R1、R2的关系为：
图5：新器件的输出电压可通过电阻设定
VOUT = -(R2/R1)VREF
式中VREF为外接的基准电压，如图5的参数输出电压VOUT = -3V。MAX881R、ADP3603～
ADP3605、AIC1840/1841等都有这种功能。
