认识电荷泵

今天，就为大家介绍一位电路中的“电压魔术师”——电荷泵。

它能以极高的效率，仅凭几个电容、二极管和开关，就轻松实现电压的升高、反转甚至倍增。让我们揭开它的神秘面纱。

一、 电荷泵的概要

简单来说，电荷泵是一种利用电容储存和转移电荷来实现电压变换的DC-DC转换器。

与需要电感的传统开关电源相比，它的电路结构异常简洁，但效率却可以高达90-95%。

其核心思想就像“电子搬运工”，将电荷从一个地方“泵”到另一个地方，从而建立起不同的电压差。

二、 核心原理：从“电容串联”说起

理解电荷泵，可以从一个经典的物理实验开始：

假设你有一个9V电池。你先用它给一个电容C1充电至9V，断开；再给另一个相同的电容C2充电至9V，断开。此时，每个电容两端的电压都是9V。

现在，将这两个电容串联起来：将C1的负极与C2的正极相连。那么，从C1的正极到C2的负极，你测量到的总电压是多少？没错，是 9V + 9V = 18V。

这就是电荷泵最基本的理念：先对电容分别充电，再通过巧妙的连接（串联）将它们原有的电压叠加起来，从而得到更高的电压。 

在实际电路中，这个“充电”和“重连”的过程，是通过电子开关（最初是二极管，现代常用MOSFET）以极高的频率反复切换来完成的。

参考文章：使用示波器学习电荷泵的基本原理

三、 实战解析一：正向升压电路

让我们看一个具体的二倍压升压电荷泵电路（Voltage Doubler Charge Pump）。

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目标：将输入电压 VIN(5V)提升至 VIN + 5V(5V是 PWM 高电平);

或者用下面公式表示：

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工作原理（分两阶段分析）：

  1. 充电阶段：当控制信号 PWM=0V（低电平）时，电路形成了一个充电回路：
  • 路径： 电源  二极管  电容  PWM 信号源（）。
  • 状态：此时  正向导电， 开始充电。
  • 结果： 点的电压 VC1 被钳位在 （ 为二极管压降，理想状态下接近 ）。
  • 电容储能：此时  两端的压差约为 （上正下负）。

      2. 泵升阶段：当控制信号 PWM跳变为5V（高电平）时，神奇的事情发生了：

  • 电位抬升：由于电容  两端的电压不能突变，当它底部的 PWM 电平从升到5V时，它会把 V1 点的电位整体“向上顶”。
  • 叠加原理：此时  V1 的电压  =  VIN + 5V。
  • 电荷转移：
    • 此时V1 约为   VIN + 5V，远高于输出端 。
    • 二极管 D2 导通，电容 C1 中的电荷通过  D2 转移到输出电容 C2 中。
    • 同时，二极管  因为反向电压（阴极 ，阳极 ）而截止，防止电荷倒流回电源。

二极管 D2 和 C2 构成经典的二极管整流电路（ single diode rectifier circuit ），使方波平滑，输出端获得 +10 伏直流电压。D2 就像“止回阀”，负责让泵出来的高压电出去且不许回来。

关于电压降：因为有两个二极管压降的损耗，最终理论输出电压公式为：

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为了更好地理解电路，我们让 C1 比  C2 大得多（100倍），所以C1  每“泵”一次电荷，就能轻而易举地把  C2 填满。我们没有连接到该电路的负载。仿真时波形如下图:

下图中，蓝色是泵出的 V1 点电压（未经过后续的整流和滤波），绿色方波是输入 PWM 波形。

下图中我们添加了整流滤波后的输出 VOUT 波形：

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如果你尝试把  C2 的值改大（比如也改成C1大小），或者在 Vout 接一个负载电阻，你就能看到输出电压缓慢爬升的过程和明显的波纹了。

四、 实战解析二：反向电荷泵电路

电荷泵不仅能升压，还能轻松产生负电压。只需将升压电路中的二极管方向调整，并改变电容的连接方式即可。

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目标：从输入电压 Vin产生一个负电压 Vin - 5V。

工作原理（分两阶段分析）：

  1. 充电阶段：当控制信号 PWM=5V（高电平）时，电路形成了一个充电回路：
  • 路径： PWM 信号源（）  电容  二极管  VIN(GND)
  • 状态：此时  点被  钳位。因为  的阴极接地（），阳极在 ，所以  点的电压被拉低到约  到 。电容  的下端是 ，上端（）是 。
  • 结果：电容  两端充满了电荷，压差约为 （下正上负）。
  •  状态：此时  为正，而输出端  初始为0V，所以  截止，互不干扰。
  1. 泵降阶段：当控制信号 PWM跳变为0V（低电平）时，神奇的事情发生了：
  • 电位下沉：由于电容  两端的电压（）不能突变，当下端从  降到  时， 点被迫跟着下降 。
  • 瞬时电压： 的电压变为 。
  • 电荷转移：此时 （）比 （初始为 ）低得多。二极管  导通，电荷从  流向 ，或者说  把  处的电位“向下拉”。
  •  状态：此时  阳极是负压，阴极是地，处于反向截止状态，保证负电荷不会漏到地里去。

这个电路通过“先把电容充满电，再把电容的脚垫抽掉”的方法，实现了电压的反转。

其理论输出电压约为：

我们这里 VIN 是接地的，也就是0V， 你也可以不接地，用其他的电压。

下图是输入（绿色）和 V1(蓝色)波形：

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波峰（约 ）：对应 PWM 为高电平，电容在“装水”并被二极管  钳位。

波谷（约 ）：对应 PWM 下降沿，电容把整个电位强行拽入零点以下。

下图是加上输出的波形图：

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这种电路在只有单电源（比如只有 ）却需要给运放提供负电源供电的场合非常常见。如果你在  后面接一个  的电阻作为负载，你会发现输出电压会变小，且纹波会变大。

五、 两级电荷泵升压电路

电荷泵电路好玩的地方是可以串联，下面是两级串联，可以将第一级的输出看作一个直流源。

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如果说单级电荷泵是“一级电梯”，那么两级电荷泵就是“接力电梯”，它能把电压抬升到更高的高度。

这个电路的理论输出目标大约是：电源第一级第二级。除去 4 个二极管的压降，最终 VOUT 会落在  左右。

以下是两级接力的详细过程：

1. 第一阶段：PWM 为低电平 (0V) —— “装弹”过程

此时，PWM 信号源相当于“地”：

  • 第一级充电：电源  通过  向电容  充电。 点被钳位在约 。
  • 第二级充电：此时中间储能电容  已经存有前一轮留下的电压（假设约 ）。因为 PWM 是 ，电容  的下端是 。于是  的电压通过  向  充电。
  • 结果： 装满了  级别的能量， 装满了  级别的能量。

2. 第二阶段：PWM 为高电平 (5V) —— “发射”过程

当 PWM 信号跳升到 ：

  • 第一级泵升： 点被  向上顶，瞬时达到 。这个能量通过  灌入 。
  • 第二级泵升：重点来了！ 的下端也接在 PWM 上，所以  点也被向上顶了 。
    • 如果  之前充到了 ，那么此时  会瞬间飙升到 。
  • 最终输出： 的高压通过  向输出电容  充电，从而得到 。

PWM（绿色） 和 第一级的输出波形（红色）：

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加上V3 波形（蓝色）：

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加上最终输出波形（青色）：

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仿真波形深度分析

观察仿真图，你会发现一个有趣的“阶梯爬升”现象：

  • 红色曲线：这是第一级输出。它从  开始，经过几个周期爬升到约  左右稳定。
  • 蓝色曲线**：这是第二级泵升点。你可以看到它随着 PWM 剧烈跳动，波峰一次比一次高。
  • 青色曲线：这是最终输出。它像爬楼梯一样，每一轮 PWM 脉冲都把它往上推一点，最终稳定在  以上。

为什么电压没有达到完美的 15V？

在这个两级电路中，能量每经过一个“关口”都会收一次“过路费”：

  1. 二极管压降 ()：电流经过  都会损失约 。四级下来就是  左右的损耗。
  2. 电荷分配损失：由于设置的  比  小，且  只有 ，这种电容容量的梯度配置是为了让后端建立电压更快，但也意味着每一级转移的电荷量是有限的。

总结公式

代入你的参数：。这与仿真图中青色曲线的最终高度完美吻合！

进阶挑战： 既然两级可以到 ，理论上你可以一直串联下去（变成 Cockcroft-Walton 乘法器）。但实际操作中，级数越多，效率越低。

六、频率对输出纹波的影响

提高 PWM 的频率是减小电荷泵输出纹波（Ripple）最直接且有效的手段之一。我们可以从物理直觉和数学公式两个维度来理解这个调节过程。

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1. 核心逻辑：缩短“放电时间”

你可以把输出电容 （或两级电路中的 ）想象成一个底部有小孔的水桶，电荷泵则是每隔一段时间往里倒一勺水。

  • 低频率时：两勺水之间的时间间隔很长。水桶里（输出端）的水位有足够的时间通过负载流走，导致水位明显下降，波纹变大。
  • 高频率时：你倒水的动作变快了。在水位还没来得及下降多少时，下一勺水就补进来了。这样水位（电压）就会保持得更加平稳。

2. 数学支撑

在带负载的情况下，电荷泵输出电压纹波  的近似公式为：

  • ：输出负载电流。
  • ：PWM 的切换频率。
  • ：输出电容（如你电路中的  电容）。

从公式可以看出，纹波与频率  成反比。如果将频率从现在的  提高到 ，理论上纹波将减小到原来的千分之一。

3. 频率不是越高越好吗？

虽然提高频率能减小纹波，但在现实电路中存在“边际效应”和副作用：

  • 开关损耗：频率越高，二极管频繁开关产生的损耗就越大，电路效率会降低。
  • 二极管速度：普通二极管有反向恢复时间。如果频率太快，二极管可能来不及关断，电荷会倒流。
  • 电磁干扰 (EMI)：高频信号更容易产生噪声，可能会干扰周围的敏感电路。

七、两级电荷泵负压电路

同前面的两级串联升压电路一样，电荷泵负压电路也可以串联。

利用第一级产生的负电压作为第二级的“起点”，从而实现负压的翻倍。

1. 第一级：基础负压产生 (Inverter Stage)

这一级的工作原理和前面的单级负压泵一致：

  • PWM 为高 (5V)： 导通， 被钳位在约 （地电位  二极管压降）。此时  充电，下端 ，上端 ，压差约为 。
  • PWM 为低 (0V)： 下端下降 ，迫使  点瞬时下降到 。此时  导通，将这个负电荷转移到 。
  • 结果： 点产生一个约  左右的稳定负压（ 损耗）。

2. 第二级：负压接力泵升 (Booster Stage)

这是实现“二级”的关键。注意  的阳极并没有接地，而是接在了第一级的输出  上。

  • PWM 为高 (5V)：此时  导通。重点来了，此时  点的电位被钳位在 。此时电容  的下端是 ，上端是 ，压差高达 ！
  • PWM 为低 (0V)：PWM 从  降回 ， 再次行使“搬运工”职责，将  点再次向下拉低 。此时 。
  • 最终输出：这个  的极低电位通过  向  充电。

通过仿真波形，我们可以清晰地看到电压是如何一步步“坠入深渊”的。

PWM(绿色) 和 第一级输出(蓝色)波形:

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加上V3 波形（蓝色）：

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加上最终输出波形（青色）：

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观察波形中的青色曲线 ：

  • 阶梯下降：你会发现  并不是瞬间到位的，而是随着 PWM 的每一次摆动，像下楼梯一样，每一轮都比上一轮更负一点。
  • 最终高度：最终  稳定在约  左右。

理论公式推导：

每多一级，理论上会多减去一个  并增加两个二极管压降 。

对于两级电路：

代入数据：。这与仿真结果完全吻合！

两级串联负压泵的精髓在于第一级为第二级提供了“负的充电参考点”。第一级把水位从  降到了 ，第二级在这个基础上又往下挖了 。

八、 总结：电荷泵的设计之道

通过对单级、两级以及正负压电荷泵电路的分析，我们可以总结出这种“能量搬运”电路的几个核心法则：

  1. 电荷的“接力”：电荷泵的本质是利用开关（二极管）改变电容在电路中的连接方式。在充电阶段它们是并联储能，在泵升阶段则是串联叠加，通过这种空间换时间的方式实现电压变换。
  2. 效率与损耗的博弈：虽然电荷泵不需要电感，体积小、EMI 低，但它的输出电压受限于二极管的压降。级数越多，压降损耗越明显。在实际设计中，使用肖特基二极管或基于 MOSFET 的同步整流技术，可以有效提升输出效率。
  3. 动态响应与稳定性：提高 PWM 频率是减小输出纹波、提升功率密度的关键，但同时也需兼顾二极管的开关速度与功耗平衡。

电荷泵虽然在提供大电流能力上不如电感型 DC-DC，但其结构简单、成本低廉的特性，使其在运放负偏压供电、LCD 驱动、闪存编程电压产生等小电流应用场景中，依然是无可替代的“电压魔术师”。

 

https://zhuanlan.zhihu.com/p/2000640686811279917

https://m.elecfans.com/article/573111.html

posted @ 2026-07-06 23:14  FBshark  阅读(39)  评论(0)    收藏  举报