电荷泵的输出特性

　　电荷泵的工作过程为：首先储存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。电容式电荷泵采用电容器来储存能量，并通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器来实现电压的提升。因电荷泵工作在较高频率下，故可使用小型陶瓷电容器（1 μF），因其占用空间最小，使用成本较低。电荷泵仅用外部电容器即可提供±2倍压的输出电压。其损耗主要来自电容器的等效串联电阻（ESR）和内部开关管的RDS-ON。电荷泵变换器不使用电感器，因此其辐射EMI可以忽略。其输入端噪声可用一只小型电容器滤除。它的输出电压是工厂生产时精密预置的，可通过后端片上的线性调整器调整，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的调整空间。

　　电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将根据负载发生变化。电荷泵电压反转器的输出电流与输出电压的变化曲线称为输出特性曲线，其特性是：输出电流越大，输出电压变化越大。

　　通常以输出电阻R。来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到IOUT，输出电压变化为ΔU，则输出电阻R。为

　　输出电阻R。越小，输出电压的变化越小，输出特性越好。电容式电荷泵十分适用于便携式电子设备的电源设计，其中输出电压可调的电容式电荷泵是一个将电容式电荷泵和线性调整器集成在同一芯片内的电源系统，如图1所示。

　　图1 电容式电荷泵的内部结构

　　如图2所示为开关电容电压调节器框图，当输出电压超过期望的极限时，器件不会开启，消耗的电源电流将很小。在这种空闲状态期间，输出电容为负载提供输出电流。随着这个电容不断放电及输出电压降低到期望的输出电压以下，电荷泵将被激活直到输出电压再次高于这个值。

　　图2 开关电容电压调节器框图

　　在轻负载下，如图2所示的调节结构的主要优势是很明显的。因其通过输出电容为负载提供电能，当电源电流非常低时，输出电容只需要偶尔通过电荷泵进行再次充电。

　　调压电荷泵在一个宽的输入范围内不能维持高的效率，因为输入／输出电流比是根据基本的电压转换进行调节的，任何比输入电压乘以电荷泵增益所得的值更低的输出电压将导致变换器内额外的功耗，并且效率会成比例地降低，参考下式的说明。

　　电荷泵根据输入／输出比例改变增益，以在整个输入电压范围内获得最高的转换效率。理想的情况是增益应该线性地变化。因电荷泵的泵电容和开关数量，故只能有限的配置增益的级数。

　　在如图2所示的电路中，输入电压被调节，并被馈入到三个比较器的正向结点。比较器的所有反向结点连接到输出电压端。电荷泵增益控制电路根据输入／输出电压比，选择最小的增益G，这样就可以获得期望的电压转换效率。