什么是电荷泵？使用二极管电荷泵如何反转电源？

什么是电荷泵

电荷泵是通过时钟信号、电容器和开关（FET或二极管）使电压升压或反转的电路。

电荷泵具有以下特点。

优点

仅由电容器、开关（二极管）构成，节省空间
无需线圈
辐射噪声小
可升压/负电压

缺点

不能输出大电流
由于利用电容器充放电，所以脉动电压大

想要低价制作高电压和负电压时，经常使用时钟信号（DC/DC的开关节点等）和二极管组成的二极管电荷泵。
在此，介绍使用二极管电荷泵的反转电源制作方法的原理和实例。

反转电荷泵回路的工作原理

分为电容器C_PUMP的充电工作/放电工作。

Step1: 充电工作

Step2: 放电工作

Step1: 充电工作

S₁、S₃导通，S₂、S₄断开，B点的电压变为GND。当电流流过蓝线时，C_PUMP的电压充电至V_IN，C_PUMP端子间电压为V_IN。

Step2: 放电工作

S₂、S₄导通，S₁、S₃断开，A点的电压变为GND。C_PUMP的端子间电压V_in被维持，所以随着A点的电压从V_IN降低到GND，B点的电压也从GND降低到-V_IN。

B点的电压降到-V_IN时，从C_PUMP放电到输出电容C_L，输出电压下降。（请参见红线）
在该工作中，可以在输出电容C_L中积蓄负电压。

使用二极管的负电压生成电路

介绍实际使用二极管的负电压生成方法。

在二极管电荷泵电路中，根据电路方式可以生成-N倍的电压。

基本电路(1)

基本电路(1)
可从时钟输出输出-N（≥1）倍的输出电压。
通过重叠二极管电荷泵的级数，可以输出更低的电压。各段有肖特基二极管的损失，N倍的输出电压为以下公式的值。
V_OUT(N) = V_IN× N - VF × 2(N - 1) - α
VF：肖特基二极管正向电压 α：其他损失部分

基本电路(2)

基本电路(2)
与基本电路（1）相比，上升时间变快，但稳定度稍差。N倍的输出电压与基本电路（1）相同，可以用以下公式表示。
V_OUT(N) = V_IN × N - VF × 2(N - 1) – α
VF：肖特基二极管正向电压α：其他损失部分
使用基本电路（1）和DC/DC的开关节点确认“-1倍二极管电荷泵”是否生成负电压。

实验电路

实验电路板

负载调整：无负载电阻

负载调整：有负载电阻
输出电压是输入电压的-1倍，但在轻负载下输出电压比-1倍高。
DC/DC的开关节点包含开关噪声，该开关噪声是输出电压以上的高频分量。在电荷泵中，由于该开关噪声也被反转，所以输出电压比-1倍高。
通过增大输出电流，输出电压接近-1倍。因此，在输出电压的上升对策中，一般通过在输出侧连接负载电阻来进行上升对策。