老师主页:唐老师讲电赛 视频地址： 电源大师3-电容开关电源(电荷泵)工作原理，数据手册，PCB设计。
电荷泵型稳压器（charge pump）又称电容开关稳压器，开关电容电压变换器，开关电容DC-DC变换器（switched capacitor voltage converter），和基于电感DC-DC与开关电源相比，也称为无感式DC-DC电源变换器采用电容器作为开关和储能元件。
分类
对比：
| 类型 | 优点 | 缺点 | 应用 |
|---|---|---|---|
| LDO | 设计简单，噪音低，纹波低，体积小，EMI小 | 只能降压，发热严重 | 便携式设备，如手机，AD/DA transceiver供电 |
| (电感)开关变换器 | 高效、大功率、升压、降压 | 设计复杂，体积大，EMI影响大 | 负载对纹波要求不高，LDO前级 |
| 电荷泵 | 比LDO效率高，静态电流低，比开关变换器简单，比开关变换器小(无电感)，噪音低。最低工作电压低，电压升降 | 一般只能提供中小功率 | 小功率供电、输放负电源等 |
原理
电荷泵稳压器的基本工作原理是用电容器从输入端充电，然后将电容器连接到输出端放电。根据电容器连接到输出端，电荷泵稳压器可实现双压（电容器串联）和反压（电容器反向连接）。本节介绍了几种常见的电荷泵开关稳压器及其工作原理。
电荷泵基础
先看最简单的单倍电压传输和反压。单倍电压传输是电容开关电源最简单的模型，如下图所示，有4个开关控制电容的充放电。充电周期S1和S3闭合，S2和S断开；放电周期S2和S4闭合，S1和S3断开。根据电容器的物理公式： q = C × U q=C×U q=C×U，在充电周期内获得电容的电荷 q 1 = C × V i n q1=C×Vin q1=C×Vin。放电周期内电容释放电荷，为外部电路提供能量，电容电压等于 V o u t Vout Vout时，放电周期结束，电容上剩余电荷： q 2 = C × V o u t q2=C×Vout q2=C×Vout，根据电荷守恒可以得到传输的电荷： q 1 − q 2 = C × ( V i n − V o u t ) q1-q2=C×(Vin-Vout) q1−q2=C×(Vin−Vout)。 单倍电压传输电荷泵开关电源 开关切换的频率为 F s （ F s = 1 / t s ） Fs（Fs = 1/ts） Fs（Fs=1/ts），则电荷传输产生的平均电流 I o u t = （ q 1 − q 2 ） / t s = C × F s × ( V i n − V o u t ) Iout=（q1-q2）/ts = C×Fs×(Vin-Vout) Iout=（q1−q2）/ts=C×Fs×(Vin−Vout)。电荷泵开关电源的等效内阻为 R = （ V i n − V o u t ） / I o u t = 1 / C × F s R =（Vin-Vout）/Iout = 1/C×Fs R=（Vin−Vout）/Iout=1/C×Fs当开关频率较低时， F s Fs Fs导致的内阻占主要部分。当 F s Fs Fs较高时，内部开关导致的电阻（传导损耗和开关损耗）占主要部分。 介绍了单倍电压传输，根据其结构将电容的极型反接到输出即可实现反压。如下图：(C1为，C2为输出储能电容) 反压型电荷泵开关电源 对比单倍电压电路可以看出，反压电路中将输出端 V o u t Vout Vout和GND进行了调换，S2接GND，S4接 V o u t Vout Vout，这样在充电完毕后S2上的电压比S4高，放电时S2和S4闭合，电容上的电压依旧保持，就相当于GND比 V o u t Vout Vout电压高， V o u t Vout Vout相对GND就是负压了。 再分析一下双倍电压产生和半电压产生。如下图所示，在单倍电压电路上做一些改动，将 V i n Vin Vin连接到S4的另一端。这样在充电周期C上的电压 V c = V i n Vc=Vin Vc=Vin，在放电周期C串联在输出和输入之间， V o u t = V c + V i n = 2 × V i n Vout=Vc+Vin=2×Vin Vout=Vc+Vin=2×Vin，实现了倍压功能。 如何实现1/2电压转换呢？很简单，将电路倒过来用，Vout和Vin交换。充电时C和输出电容C串联，Vin对2个串联的C充电，充电完毕时每个C上有一半的Vin.放电时两个c并联，将1/2的Vin送到Vout. 在半压电路上再稍作改变，将中间的电容C拆分为两个串联电容C1和C2，如下图所示 充电周期C1和C2的电压和为 V i n Vin Vin，则C1和C2的中间点电压为 0.5 V i n 0.5Vin 0.5Vin，放电周期C2串联在 V o u t Vout Vout与 V i n Vin Vin之间， V o u t = V i n + 0.5 V i n = 3 / 2 ∗ v i n Vout=Vin+0.5Vin=3/2*vin Vout=Vin+0.5Vin=3/2∗vin.实现了 3 / 2 3/2 3/2倍电压转换。 从上面的分析可以看出电荷泵型的开关电源既有趣又巧妙，通过内部开关改变电容的连接方式就能实现多种电压转换功能。电荷泵型开关电源还有多种拓扑结构，这里不再一一累述。常用的几款电荷泵稳压器例如：TPS60500用于高效的降压，TPS60110低噪声升压电源，TPS60400低功耗反压等。
开关电容稳压器的细调功能
从上节的分析可以看出，电荷泵型开关电源的输出是Vin的整数倍或者离散的小数倍，不能达到像LDO那样的任意值。如果要使电荷泵型开关电源具备这样的能力就需要在后面添加线性调整器（post regulator），在电荷泵调压的基础上线性调整器再次进行调节。由于线性调整器的存在，电荷泵开关电源就存在损耗问题。 除了这种方法外，还有一种使电荷泵开关电源精细调节输出的方法，根据前面章节的介绍，线性调整器中是使开关管工作在线性区来分压进行调节，同理，在电荷泵开关电源中加以改进，使控制电容连接的开关管工作在线性区，分压后给电容充电或者放电，也可以达到精细调整，如下图所示，充电和放电回路上有开关工作在线性区进行分压. 这种方法跟线性稳压器的原理类似，由于开关管工作在线性区，其上的分压V和流过的电流I相乘就产生损耗. 第三种方式是利用Fs改变电荷泵开关电源的等效内阻，根据前面分析，电荷泵开关电源的等效内阻为 R = ( V i n − V o u t ) / I o u t = 1 / C × F s R=(Vin-Vout)/Iout = 1/C×Fs R=(Vin−Vout)/Iout=1/C×Fs。R随着Fs的增大而减小，所以调节Fs可以调节等效内阻上的分压，进而实现对Vout的细调。这个方法原理上是用PFM（脉频调制）来实现电容C的充电放电控制。这种方法中开关管仍然工作在开关状态，损耗比线性区少，但是代价是输出纹波较大并且开关损耗增大。
电荷泵的电压增益调节
从上节可以了解到电荷泵开关电源为了实现细调功能会引入较多的损耗，从而导致效率降低。为了改善这个情况，电荷泵开关电源可以使用电压增益调节功能。在分析这个功能的原理前，先介绍几个定义。 是指不使用细调功能时 V o u t Vout Vout和 V i n Vin Vin的比值 G a i n = V o u t / V i n Gain= Vout/Vin Gain=Vout/Vin，例如 V o u t = V i n Vout=Vin Vout=Vin则电压增益为1， V o u t = 1 / 2 V i n Vout=1/2Vin Vout=1/2Vin则电压增益为0.5（不使用细调功能，电容仅靠改变连接关系实现倍压和分压）. ：输出功率/输入功率 不考虑损耗时电源能量守恒： V i n × I i n = V o u t × I o u t Vin×Iin = Vout×Iout Vin×Iin=Vout×Iout（电流为平均电流） 根据电压增益 G a i n = V o u t / V i n Gain= Vout/Vin Gain=Vout/Vin得到 I i n = V o u t / V i n × I o u t = G a i n × I o u t Iin= Vout/Vin×Iout = Gain×Iout Iin=Vout/Vin×Iout=Gain×Iout. 考虑到电源自身消耗的能量，输入电流为 I i n + I q Iin+Iq Iin+Iq 输入功率为： V i n ∗ ( I i n + I q ) = V i n × ( I o u t × G a i n ) + V i n × I q Vin*(Iin+Iq)=Vin×(Iout×Gain)+Vin×Iq Vin∗(Iin+Iq)=Vin×(Iout×Gain)+Vin×Iq 代入效率公式可以得到
E f f = V o u t I o u t V i n ( I o u t G a i n ) + V i n I q E_{ff}=\frac{V_{out}I_{out}}{V_{in}(I_{out}Gain)+V_{in}I_q} Eff=Vin(IoutGain)+VinIqVoutIout
这个公式中可以看到当 V o u t ， I o u t Vout，Iout Vout，Iout和 G a i n Gain Gain不变时， V i n Vin Vin越高效率越低。要改变这一状况就要使 G a i n Gain Gain能跟随 V i n Vin Vin进行调节， V i n Vin Vin变高时 G a i n Gain Gain调小，由于 I q Iq Iq较小，可以显著减小分母变大的趋势。效率得到提高。下面举例看一下增益调节带来的作用 上图是效率随增益调节后的变化曲线图.X轴是 V i n Vin Vin.Y轴是效率。图中有两条曲线，实心黑色曲线是 I o u t = 10 m A Iout=10mA Iout=10mA时，虚线是 I o u t = 120 m A Iout=120mA Iout=120mA时. E I D E A L E_{IDEAL} EIDEAL箭头所指的三条曲线（图中三条双曲线形状）分别是 G a i n Gain Gain等于 1 ， 2 / 3 1，2/3 1，2/3和 1 / 2 1/2 1/2时，效率随 V i n Vin Vin变化的理论曲线。可以看到随着 V i n Vin Vin增大，在 V i n = 3 V Vin=3V Vin=3V时将 G a i n Gain Gain调整到 2 / 3 2/3 2/3，效率从60%提高到90%，在 V i n = 4 V Vin=4V Vin=4V左右时，将Gain调整到 1 / 2 1/2 1/2，效率从70%增加到85%以上。可以明显的看到 G a i n Gain Gain在改善效率中发