charge pump电路工作原理以及器件选型

一.前言

常见的电源有buck,boost等拓扑结构，他们都是工作在开关模式下利用电感充放电实现目标电压输出的电源方案，今天就介绍一下另一种也是工作在开关模式下，但是却不需要电感的电源电路结构，也就是charge pump电路。它在一些低成本，对空间要求紧张的场合里一般会出现，一般是作为辅助电源的身份出现，就是说电路中有多个输出电压要求，它可以实现其中的升压输出的需求。

二.charge pump电路工作原理以及器件选型

1.工作原理

charge pump电路基本的构成就是一个在开关模式工作的DC-DC转换器，主要由开关电路以及电容构成，开关电路可以由分立器件搭建，也可以选用集成IC，一般来说是选用集成IC，体积小，可靠性高。电容的话可以选用电解电容或者瓷片电容，这取决于开关速度。

电路的工作原理是这样的：

1.开关“1”输出GND，直流电压+V通过D1对C1进行充电，C1两端的电压为V-VD1，此时D2未导通；

2.开关“1”输出+V，C1和D1结点处的电压被抬升为：V+V-VD1，D2正向导通，从而对C2充电，C2两端的电压为：V+V-VD1-VD2；

通过以上两个步骤就实现了输出电压的升压，当然为了稳定输出，C2电容的容易一般比C1要大，这样可能需要多个开关周期才能把C2充满，为了进一步稳定输出，还可以在输出端放置稳压管或者LDO来实现更高精度的输出。

2.器件选型

1.电容选型计算

电容C1主要是为了稳定开关节点的电压，所以容值不能太大，ESR要尽可能低，所以我们要先制定一个输出纹波电压的指标，比如我们把纹波电压定位500mV。接下来我们先说一下纹波电压的计算，纹波电压包含两部分，一部分是电容充放电导致的电容电压的变化，另外一部分是电容自身的ESR导致的电容充放电过程中产生的纹波电压。其中D是开关的占空比，f是开关的周期，那么开通开通的时间就等于t=D*T=D/f，这一过程中的电荷为Q=I*t，对应的纹波电压变化就是：V=Q/U，从而我们就能计算出这一部分的纹波电压，另外一部分的纹波电压就比较好理解了，就不多赘述了。有了这一公式，我们就能反向根据纹波电压指标，输出电流要求，以及占空比，开关频率来反向计算出需要的电容容值。电容的耐压至少要为电源电压的2倍。

2.二极管选型计算

二极管的选型就比较简单了，主要关注三点，第一就是二极管的正向导通压降要低，从而降低二极管功率损耗，也能提供输出电压，第二就是二极管的反向耐压要高于输出电压，第三就是二极管的正向通流能力要高于输出峰值电流，当然还要考虑降额。

三.汇总

charge pump电路简单，成本低，不用电感节省空间，但是其输出能力比较低，一般用在小于200mA的场合，其次虽然没有电感，但是还是工作为开关模式，所以存在EMI问题，转化效率相比有电感的拓扑更低。

审核编辑：汤梓红