今天讲一下电压拓扑中比较基础的知识，电荷泵电路原理。
比如我们在电源供电设计中，经常遇到很小的功率的升压降压的需求，还有小功率负压的需求。
比如下面的这个运放需要±2.5V的电压供电。遇到这样的电路一般会怎样处理更有效呢？
图1
下面说的电荷泵就可以满足这些供电要求。
那么什么是电荷泵？电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用快速或泵送电容(而非电感或变压器)来储能C-DC(变换器)，是直流直流变换器，可产生比输入电压高的输出电压，也可产生负电压。
电荷泵电路能够在不需要电感参与的情况下实现高效的能量传输。也可以产生负电压，在实际电路中有时也需要负电压，就也可以用电荷泵电路产生。
也就是说电荷泵电路完全靠的是电容储能，而我们经常用开关电源拓扑中的
buck电路、boost电路是电感储能。
如图2所示，是一个电话泵的电路原理。图中的VCC是一个恒定的电压，电容的两个极板我们标识为A和B，B点的输入电压为Uin。
如图2是电荷泵的工作原理图示意图。
图2
这里先说一个知识点，电感的特性是阻碍电流的变化，电容的特性是阻碍电压的变化，电容两个极板两端的电压，它不会瞬间突变，同样，穿过电感的电流也不会瞬间突变。
在图2中，分析一下电荷泵的原理，就是利用电容两端的电压不会突变的特性，具体的原理，就是当AB两极电压不变时，此时，在B点来个幅度不变的电压Uin方波，此时B点电压抬升，而A点电压也随之抬升，而当A点电压抬升时，由于二极管的存在，只能单向，而A点电压原来是Vcc，突然来个Uin，A点电压直接就加到Uin上去，输出端A点电压就变成Vcc+Uin。
在图2中，输入电压Uin的在低脉冲阶段，输出端电压就是Vcc，保持着和输入电压一致的电压。来脉冲之后，就同步把脉冲电压加上去。主要是利用电容两端的电压不能突变的特性，这就是电荷泵的基本工作原理。
输出电压：理想情况下，输入电压最大值Voutmax=Vin+Vcc-Vf(Vf是二极管的压降），而在实际使用过程中并不能达到理想状态。
输出电流：Lout=(Vcc+Vin-Vf-Vout)*f*Ctly(f=PWM波频率，Cfly=跨接电容值)，其中的Vout是指加在负载两端已经滤完波已经稳压的电压。
上面我们主要是讲输出电压高压输入电压，我们上面提到，电荷泵电路也可产生负电压，那么是什么原因呢？
如下图3是负电压产生的原理图
图3
osc振荡器产生2路信号，分别是A和A非，即一对互补信号，后面有一对互补功能的开关sw1和sw2，还有C1和C2两对电容。
其原理是，第一步，当互补信号A是1时，A非为0，开关sw1打开，sw2关闭，Vi通过sw1给C1充电，通过电容C1负极，sw1到地。第二步，A是0，A非为1时，开关sw1关闭，sw2打开，如图4和图5是电荷泵电路产生负压的示意图。
图4
图5
就是相当于把电容C1反过来，放到C2上，实现了负电压的输出。
这种负电压输出的电路，实际电路应用中，很多电路都应用到。例如在max232电路中，电平芯片内部产生较高电压或负压，我们知道max232芯片是±12V的逻辑电平，那么±怎么来的呢，有时我们输入电压只有5V电源，虽然供电的功率不高，就是利用电荷泵的原理实现。图6是max232的内部电路原理示意图。max232IC中有2路电荷泵电路，引脚中1和3脚就是一路的电荷泵电路，4和5脚也是一路电荷泵电路。2脚和6脚分别是正负10V电压引脚，可以说明的是，在有些正负双电压供电的场合，如果功率不大，正好是±10V的话，如果板子上正好有max232芯片，那么就可以采用这对电压供电，或者可以专门设计一个这样的芯片进行供电，一般功率不大的情况下，这种设计是可行。
图6
图7
图7就是max232芯片内部的电荷泵电路示意图，数据手册上应该讲的很清楚。
对于电荷泵电路，实际应用中，我们很少用分立元件去搭建。很多情况是用集成电路IC实现。
比如，凌特的LTC3240-3.3和TI的电荷泵芯片LM2755
图7
图8
比如LTC3240-3.3就是一个好电荷泵的集成电路IC，LTC3240-3.3是一个标识为锂电池供电的，输入从2.7V到4.5V供电，输出为3.3V，150mA的DCDC芯片，这种IC非常适合小型锂电池供电的产品中，外围元件非常少。
在类似这样的电荷泵芯片中，从IC电路的引脚也可以判断是否为电荷泵芯片，有C+和C-连接一个电容的，就可以判断是一颗电荷泵芯片。
下面我们简单看一下内部的电路，如图9是LTC3240-3.3的内部电路。
图9
图10是TI的电荷泵芯片LM2755内部电路。
图10
我们可以到官网下载他们的数据手册，可以仔细研究。
除上面讲的负压应用，还有用到电荷泵的应用场合有以下几种情况;
1. 在实际应用中，彩色液晶屏的LED背光也是负压是最常用的应用，还有小功率的LDO芯片，也用到电荷泵电路IC。
2. 还有经常要用的场合是MOS管的驱动电源，我们知道，NMOS经常用于下管，如果NMOS用于上管时的栅极驱动电压，就要用栅源极电压高压栅源开启电压，这是我们就需要一个电荷泵进行上管时的栅源驱动。所谓这样的自举型电荷泵，使电路设计变得非常简单，但实际使用过程中有些限制，如对桥臂的开通时序和占空比有限制等。所以，在某些要求比较高的应用场合，采用他驱型的电荷泵，即将电荷泵电路及驱动波形与主功率电路分离，采用外部电路构成电荷泵。
3.在倍压应用，目前主流应用是驱动LED尤其白光LED，在电池供电的手机、数码相机等领域，为LED背光照明和LED闪光灯提供合适的电源。
4.另一个很广泛的应用是为EEPROM和flash存储器提供读写电源，这些存储器IC的电源轨一般是1.8V、3.3V，而读取需要+5V，擦写需要12V，将电荷泵集成到这些存储器IC中，就可以实现单一电源供电。
5.电压反转应用，典型应用如现在开始流行的无电容实地输出的耳机放大器IC，这些耳放IC单电源供电，内部集成了电荷泵，因此可以实现即不需要输出电容，耳机的公共端也可以直接接地，典型产品如MAX232以及OPA4411等。
总结一下：
实际的电路设计中，有很多场合用了电荷泵IC，大大简化电路复杂设计程度，效率也比较高，目前实用的电荷泵的主要是很难实现大功率、高电压应用，在这些方面，目前电感式开关DC-DC转换器还有着无可比拟的优势。
在小功率倍压、电压反转应用，典型的应用，比如本文讨论的如小功率的单电源的升压、负压产生，或±信号电平的应用上，电荷泵IC电路优势比较明显。
电荷泵的基本原理是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。本文从电荷泵的原理到应用场合进行了简单分析，希望能在电路设计中对大家有用。
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