电荷泵，一种巧妙利用电容器充放电实现电压转换的电路，因其结构简单、效率较高且无需电感，在现代电子设备中扮演着关键角色。本文将系统解析其工作原理、常见电路拓扑及典型应用场景。
一、 电荷泵的核心基础：电容储能与电荷转移
电荷泵工作的核心在于电容器存储电荷和转移电荷的能力。其基本原理可概括为“充电”和“再分配”两个阶段。
* 充电阶段： 开关管将输入电源连接到飞电容两端，使其充电至接近输入电压。
* 转移阶段： 开关管改变连接方式，将已充电的飞电容与输出端（通常还串联另一个电容或直接连接负载）相连接。此时，飞电容上储存的电荷被转移到输出端，从而提升或降低输出电压。
通过控制开关管的通断时序，周期性地重复上述“充电-转移”过程，就能实现持续的电压转换功能。这种转换效率很大程度上依赖于开关管的导通电阻和电容的品质。
二、 常见电荷泵电路拓扑与应用特点
根据开关管连接方式的不同，电荷泵可构成多种拓扑结构，实现升压、降压或电压反转。
2.1 倍压电荷泵 (Voltage Doubler)
- 工作原理： 是最基础的升压拓扑。在充电阶段，输入电源给飞电容充电至 Vin。在转移阶段，飞电容正端接输出端，负端接输入正端（Vin），此时输出电压 Vout ≈ Vin + Vc (飞电容电压) ≈ 2Vin。
- 特点： 结构最简单，实现电压翻倍。输出电流能力受限于电容值和开关频率。对输出电容的容量和ESR有一定要求，以保证输出电压稳定。
2.2 电压反转电荷泵 (Inverting Charge Pump)
- 工作原理： 用于产生负电压。充电阶段，输入电源给飞电容充电（正端接Vin，负端接地）。转移阶段，飞电容正端接地，负端接输出端，此时输出电压 Vout ≈ -Vin。
- 特点： 是生成小电流负电压（如运放负电源）的常用方案。同样需要关注飞电容和输出滤波电容的选择。
2.3 降压电荷泵 (Fractional Charge Pump)
- 工作原理： 可以实现低于输入电压的输出，如 1/2 Vin、2/3 Vin 等。通过更复杂的开关时序控制，将飞电容上的电荷以特定比例“泵送”到输出端。
- 特点： 相比线性稳压器效率更高，尤其在中低压差场景。相比电感式DCDC，体积更小，无EMI问题，但输出电流和效率通常略低。
三、 电荷泵在实际电路中的关键应用场景
电荷泵凭借其无电感、体积小、集成度高的优势，广泛应用于对空间、成本和特定电压有要求的场合。
* LED背光驱动： 在手机、便携设备中，电荷泵常被用作白光LED的驱动电路，提供高于电池电压的驱动电压。其效率高于传统电阻限流方式。
* 传感器偏置电压： 许多传感器（如MEMS传感器、某些图像传感器）需要特定的正或负偏置电压。电荷泵是产生这些小电流、低噪声偏置电压的理想选择。
* RS-232接口电平转换： 经典的RS-232通信需要±12V电平，电荷泵电压反转器可方便地从单电源（如+5V）生成所需的负电压。
* 逻辑电平转换： 在混合电压系统中，电荷泵可用于不同逻辑电平（如1.8V <-> 3.3V）之间的简单转换。
* 为特定器件供电： 如为运算放大器提供双电源（正负电压），或为需要高于电源电压的模拟开关、GaN FET栅极等供电。
在这些应用中，电容器（特别是飞电容和输出滤波电容）的选择至关重要。其容量、耐压、ESR（等效串联电阻）和介质类型直接影响电荷泵的效率、输出纹波和稳定性。
总结
电荷泵作为一种基于电容充放电原理的电压转换器，通过精妙的开关时序控制实现升压、降压或电压反转。其结构简单、无需电感、易于集成的特点，使其在LED驱动、传感器供电、接口电平转换等众多领域成为关键解决方案。理解其基础原理和常见拓扑，有助于在实际设计中合理选用器件（特别是关键的电容器）并优化电路性能。
