电容式电荷泵变换器

Switched-Capacitor Charge-Pump Converter也称电容式电荷泵、倍压电荷泵、charge pump DC-DC

通过周期切换飞跨电容搬运电荷，实现直流电源的倍压、反相或其他倍率变换。

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约 1 分钟

电容式电荷泵先给飞跨电容充电，再改变连接把电荷送往输出；它不用电感也能改变供电电压，但负载压降、纹波、效率和启动电流都取决于实际拓扑。

系统理解

约 2 分钟

以两相倍压器为例，飞跨电容先连接输入充电，随后与输入串接并向输出电容传荷。理想空载倍率接近两倍，但实际负载要从有限频率、电容和开关电阻共同决定的输出能力中取电。

输出储能电容负责在传荷间隙供电，ESR与开关电流形成额外纹波。固定频率、跳脉冲和双路交错各有不同的轻载效率与噪声取舍。倍压后接LDO还需为泵压降、线性稳压压差、热和器件额定范围留出空间。

承接开关电容电荷搬运与降压转换基础，连接低压差稳压及模拟电源设计；不重复PLL相位检测电荷泵。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
输入电压与目标输出	V	限定倍率、稳压余量和器件耐压
飞跨与输出有效电容	F	分别影响电荷传输和输出储能
时钟频率与输出等效阻抗	Hz；Ω	影响负载压降、纹波和损耗
负载电流、纹波与温度	A；V；°C	定义测试条件及热设计边界

常见误区

所有叫电荷泵的电路都是PLL相位检测器。
倍压器在任意负载下都能输出精确两倍输入。
把飞跨电容无限增大即可无限降低输出阻抗。
只看理想电容放电就能得到全部纹波峰值。

工程深入

12 条结论 · 2 道例题

能量搬运与倍率

定义

电容式电荷泵变换的是电源电压而不是PLL相位误差

电荷泵电源变换器用开关周期改变飞跨电容连接，把输入端能量传到输出储能电容，使直流供电得到不同电压或极性；它和锁相环中向环路滤波器注入受控电流脉冲的电荷泵用途不同。^{1, 2}

成立条件 限定电容式直流电源变换，不把所有称为电荷泵的电路当成同一拓扑。；部分实现使用外部电容；集成与外置取决于设计。

机制

倍压器在两个时相先充飞跨电容再与输入叠加

在所示两相倍压结构中，第一相把飞跨电容充到接近输入电压；第二相重接开关，使电容一端接输入端，另一端向输出储能电容供电，其可用电压接近输入与飞跨电容电压之和。^{1, 2}

成立条件 只说明所引用倍压拓扑，开关组、非重叠时间和连接次序必须按具体电路确认。；负载、开关及电容损耗使实际值偏离理想值。

边界

飞跨电容与输出电容承担不同任务

飞跨电容在切换中搬运电荷，输出电容在传荷间隙为负载供电并平滑电压；两者都影响实际性能，但不能把其中一个的数值直接当成另一个的替代。^{1, 2}

成立条件 具体电流波形随拓扑和调节模式变化。；输入去耦电容还承担抑制输入脉冲电流与电压波动的作用。

负载能力与损耗

公式

负载使未稳压倍压输出低于理想空载值

在给定工作点用等效输出阻抗表示两相倍压器时，输出可近似写成空载倍压减去输出电流乘等效阻抗；阻抗是转换网络的低频模型，不是输出端真实串联的一颗固定电阻。^{2, 3}

V_{\mathrm{pump}}\approx2V_{\mathrm{in}}-I_{\mathrm{out}}R_{\mathrm{pump}}

$V_{\mathrm{pump}}$: 电荷泵非稳压输出平均电压单位 V
$V_{\mathrm{in}}$: 输入电压单位 V
$I_{\mathrm{out}}$: 该节点输出平均电流单位 A
$R_{\mathrm{pump}}$: 给定工作点的等效输出阻抗单位 Ω

成立条件 限于未稳压倍压节点的稳态近似；输入电压、频率、温度及负载改变时应重新测量或查曲线。；模型不直接预测启动、峰值电流或开关纹波。

机制

提高飞跨电容或时钟并不会无限降低输出阻抗

电荷搬运不足时，提高开关频率或飞跨电容可以减小与每周期有限电荷转移相关的压降；当开关导通电阻与电容ESR等项占主导时，继续增加电容的收益会减小。^{3, 4}

成立条件 理想1/(fC)只描述简化的平均电荷转移模型，其系数取决于拓扑及每周期转移次数。；频率上升同时改变开关损耗和噪声，需联合评估。

公式

估算输出纹波要先确定负载独立供电的时间

若负载电流在某段未获得补充电荷的时间内近似恒定，且忽略ESR跳变，输出电容上的电压下跌由移走的电荷除以有效电容得到。不同拓扑和交错相位的未补充时间不同，不能统一套一个频率系数。^{3, 5}

\Delta V_{\mathrm{droop}}\approx\frac{I_{\mathrm{out}}\Delta t}{C_{\mathrm{out}}}

$\Delta V_{\mathrm{droop}}$: 单段供电空档的电容放电电压幅度单位 V
$I_{\mathrm{out}}$: 空档内近似恒定的负载电流单位 A
$\Delta t$: 没有传荷补充的时长单位 s
$C_{\mathrm{out}}$: 输出有效电容单位 F

成立条件 只计算电容放电分量，不包含开关瞬态、ESR脉冲、反馈迟滞或探头伪迹。；Cout是实际偏压与温度下的有效电容，Δt是实测或明确的未补充时长。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学模型中负载电流20.0 mA、输出有效电容10.0 μF，在1.00 μs的无补充时段内电压下跌约多少？

已知

Iout=20.0 mA，Cout=10.0 μF，Δt=1.00 μs，均为教学假设
忽略电容ESR、纹波尖峰和负载变化

步骤

ΔQ=20.0×10⁻³ A × 1.00×10⁻⁶ s=20.0 nC负载消耗的电荷等于恒定电流乘时间。
ΔVdroop=20.0 nC / 10.0 μF=2.00 mV电荷除以有效电容得到放电压降。

结果该时段的电容放电分量约2.00 mV。

若该空档变短或有效输出电容增大，模型中的该分量随之减小。

适用边界 不包含ESR电压阶跃、输入纹波、反馈作用及器件电流上限，不能作为整机峰峰纹波保证值。

边界

输出电容的ESR造成的尖峰不能由理想容量解释

输出电压波动既有负载消耗电荷导致的电容放电，也可能有开关电流流经电容ESR及走线寄生造成的尖峰；测试和选型要把两者分开。^{1, 2}

成立条件 实际峰值需同时考虑电容阻抗、布线寄生和测量带宽。；具体稳压器的最小电容和ESR窗口以其数据手册为准。

稳压、动态与系统接入

机制

固定频率和跳脉冲调节对轻载有不同取舍

固定频率工作可让传荷时序较规则，而在轻载跳过部分切换可降低无效开关及静态损耗；两种模式的纹波与频谱不同，需要根据供电噪声和电流要求选取。^{1, 2}

成立条件 只描述具有相应模式的产品，不假定每一电荷泵都提供这两种模式。；各模式具体纹波和效率取决于器件及负载，不能给出通用固定数值。

机制

交错相位可以缩短输出无人供电的空档

两路电荷泵相互错相时，一路飞跨电容预充的同时，另一路可向输出传递电荷；适当设计可降低输出电压纹波，但仍需检查两路匹配与充放电电流。^{1, 5}

成立条件 以引用的双路错相结构为例，不把纹波下降倍数推广到所有拓扑。；纹波还受开关电阻、输出电容和控制方式影响。

公式

倍压后接LDO时必须留出稳压压差

若倍压输出再送入LDO，所需输出不能只看空载两倍输入：还需从该泵的最小输入空载近似值扣除负载压降和LDO在该电流下的压差。^{1, 2}

V_{\mathrm{out,max}}\approx2V_{\mathrm{in,min}}-I_{\mathrm{out}}R_{\mathrm{pump}}-V_{\mathrm{drop}}

$V_{\mathrm{out,max}}$: 按此模型估计的LDO最大输出单位 V
$V_{\mathrm{in,min}}$: 考虑的最小输入电压单位 V
$I_{\mathrm{out}}$: 输出负载电流单位 A
$R_{\mathrm{pump}}$: 同一条件下泵等效输出阻抗单位 Ω
$V_{\mathrm{drop}}$: 同一电流下LDO所需压差单位 V

成立条件 针对所示倍压节点加串联LDO的局部近似，Rpump取对应最坏条件。；同时核对器件输入范围、输出额定范围、最大电流和温度，不以此式替代数据手册。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学估算：Vin,min=3.00 V，Iout=20.0 mA，Rpump=10.0 Ω，LDO需0.200 V压差。该近似模型下最大输出是多少？5.00 V目标是否留有电压余量？

已知

各参数为教学假设，不代表具体产品规格
模型仅作直流余量初筛，忽略其他损耗

步骤

Iout·Rpump=20.0 mA × 10.0 Ω=0.200 V先求泵的负载压降。
Vout,max≈2×3.00−0.200−0.200=5.60 V从空载倍压估算中扣除泵压降及LDO余量。
5.60−5.00=0.60 V估算目标相对该模型上限的电压余量。

结果模型上限约5.60 V；5.00 V目标有约0.60 V电压余量。

这只说明教学参数下电压初筛未超界。

适用边界 还须逐项验证器件电压额定值、输出电流、温度、功耗和瞬态；不得用此结果保证实际稳压。

边界

启动和布局必须关注脉冲电流

启动时飞跨与输出电容的初始电压尚未建立，充电电流可能明显大于稳态电流；减小电容回路长度、选择合适输入去耦并按器件要求限制启动冲击，有助于控制供电扰动。^{1, 2, 3}

成立条件 软启动方式和允许输入电流以具体器件为准。；布局需检查电流回路和地返回，不能只看理想电路连接。

边界

接近理想倍率时效率与稳压余量是共同约束

倍压节点后接线性稳压时，如果所需输出远低于倍压节点，多余能量仍需在泵及线性通路中耗散；效率应包含输入静态电流和实际负载，不能把理想倍率当成任意条件下的高效率保证。^{1, 2}

成立条件 只比较所引用倍压加线性稳压的架构，不把该功耗表达外推到自动切换倍率或其他拓扑。；低负载时控制电路电流可显著影响效率，热与器件工作范围须另验。

出处

5 份资料 · 25 处引用

1
TPS6010x/TPS6011x Charge Pump, SLVA070A
Texas Instruments · 1999
- SLVA070A，PDF第7页，印刷第1页，Abstract 支持：电容式电荷泵变换的是电源电压而不是PLL相位误差
- SLVA070A，PDF第8页，印刷第2页，§1.1与Figure 1 支持：倍压器在两个时相先充飞跨电容再与输入叠加；飞跨电容与输出电容承担不同任务
- SLVA070A，PDF第22页，印刷第16页，§3.1与Table 2 支持：输出电容的ESR造成的尖峰不能由理想容量解释
- SLVA070A，PDF第10页，印刷第4页，§1.2.3–1.2.4 支持：固定频率和跳脉冲调节对轻载有不同取舍
- SLVA070A，PDF第10页，印刷第4页，§1.2.1 Push-Pull Mode 支持：交错相位可以缩短输出无人供电的空档
- SLVA070A，PDF第42页，印刷第36页，§5.4与Figure 60 支持：倍压后接LDO时必须留出稳压压差
- SLVA070A，PDF第29页，印刷第23页，§4.3 Layout Rules 支持：启动和布局必须关注脉冲电流
- SLVA070A，PDF第43页，印刷第37页，§5.4 Figure 61–64后正文 支持：接近理想倍率时效率与稳压余量是共同约束
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2
LTC1682/LTC1682-3.3/LTC1682-5: Doubler Charge Pumps with Low Noise Linear Regulator
Linear Technology · 1999
- LTC1682数据手册，PDF第8页，印刷第8页，Operation 支持：电容式电荷泵变换的是电源电压而不是PLL相位误差；固定频率和跳脉冲调节对轻载有不同取舍
- LTC1682数据手册，PDF第8页，印刷第8页，Operation与Figure 4 支持：倍压器在两个时相先充飞跨电容再与输入叠加
- LTC1682数据手册，PDF第9页，印刷第9页，Capacitor Selection与Output Ripple 支持：飞跨电容与输出电容承担不同任务
- LTC1682数据手册，PDF第8页，印刷第8页，Figure 4和Maximum VOUT and IOUT Calculations 支持：负载使未稳压倍压输出低于理想空载值
- LTC1682数据手册，PDF第9页，印刷第9页，Output Ripple 支持：输出电容的ESR造成的尖峰不能由理想容量解释
- LTC1682数据手册，PDF第9页，印刷第9页，Maximum VOUT and IOUT Calculations 支持：倍压后接LDO时必须留出稳压压差
- LTC1682数据手册，PDF第9–10页，印刷第9–10页，Capacitor Selection与General Layout Considerations 支持：启动和布局必须关注脉冲电流
- LTC1682数据手册，PDF第10页，印刷第10页，Thermal Considerations 支持：接近理想倍率时效率与稳压余量是共同约束
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3
Pump it up with charge pumps – Part 2
Texas Instruments · 2016
- 原厂HTML「Equation 1及Figure 1」，本次未核PDF与印刷页 支持：负载使未稳压倍压输出低于理想空载值
- 原厂HTML「Figure 2与Equation 2讨论」，本次未核PDF与印刷页 支持：提高飞跨电容或时钟并不会无限降低输出阻抗
- 原厂HTML「Equation 3」，本次未核PDF与印刷页 支持：估算输出纹波要先确定负载独立供电的时间
- 原厂HTML「启动电流与软启动」，本次未核PDF与印刷页 支持：启动和布局必须关注脉冲电流
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4
Guide to Integrated Charge Pump DC-DC Conversion
Analog Devices · 2001
- 原厂HTML「Calculating Charge-Pump Power Dissipation」，本次未核PDF与印刷页 支持：提高飞跨电容或时钟并不会无限降低输出阻抗
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5
The Interleaved Inverting Charge Pump—Part 1: A New Topology for Low Noise Negative Voltage Supplies
Jon Kraft; Steve Knoth
- 原厂HTML「Traditional Inverting Charge Pump及Equation 3–5」，本次未核PDF与印刷页 支持：估算输出纹波要先确定负载独立供电的时间
- 原厂HTML「Interleaved Inverting Charge Pump与Figure 4–5」，本次未核PDF与印刷页 支持：交错相位可以缩短输出无人供电的空档
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能量搬运与倍率

#电容式电荷泵变换的是电源电压而不是PLL相位误差

#倍压器在两个时相先充飞跨电容再与输入叠加

#飞跨电容与输出电容承担不同任务

负载能力与损耗

#负载使未稳压倍压输出低于理想空载值

#提高飞跨电容或时钟并不会无限降低输出阻抗

#估算输出纹波要先确定负载独立供电的时间

已知

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#倍压后接LDO时必须留出稳压压差

已知

步骤

#启动和布局必须关注脉冲电流

#接近理想倍率时效率与稳压余量是共同约束

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