原標題：充電泵電路工作原理

充電泵電路（Charge Pump）是一種基于電容儲能與開關切換實現電壓轉換的DC-dc變換器，無需電感元件即可完成升壓、降壓或反相功能。其核心原理是通過周期性控制開關陣列，利用電容的充放電特性改變電壓極性或幅值，具有結構簡單、成本低、靜態功耗小等優勢，廣泛應用于便攜設備、射頻電路及低功耗芯片供電場景。

一、基本工作原理

充電泵的核心由開關陣列、儲能電容（飛電容）及輸出濾波電容構成。其工作過程分為兩個階段：充電階段與放電階段，通過時鐘信號交替控制開關狀態，實現能量傳遞與電壓轉換。

1. 充電階段
   開關陣列將飛電容與輸入電壓源連接，使電容極板充電至輸入電壓值。例如，在升壓電路中，飛電容C1的正極接輸入VIN，負極接地，電容被充電至VIN電壓。

2. 放電階段
   開關切換改變飛電容的連接方式，將其與輸出端串聯或并聯，釋放存儲的電荷。例如，在升壓電路中，C1的正極改接輸出端，負極接輸入VIN，此時輸出端電壓為VIN（電容電壓）疊加VIN（輸入電壓），形成2倍升壓（2VIN）。

通過高頻切換（典型頻率100kHz-1MHz），輸出端經濾波電容平滑后，即可得到穩定的直流電壓。整個過程僅依賴電容充放電，避免了電感元件的磁芯損耗與電磁干擾（EMI）。

二、典型應用模式

充電泵可根據開關切換方式實現三種主要功能：

1. 升壓模式（Boost）
   將輸入電壓轉換為更高電壓，輸出電壓為輸入電壓的整數倍（如2倍、3倍）。例如，輸入3.3V時，通過兩級充電泵可獲得9.9V輸出，適用于驅動OLED屏幕背光或射頻功率放大器。

2. 降壓模式（Buck）
   通過分壓電容網絡將輸入電壓降低至一半或更低。例如，輸入5V時，利用電容分壓可得到2.5V輸出，為低功耗傳感器供電。但需注意，降壓模式效率通常低于線性穩壓器，僅在輸入電壓波動較小且負載較輕時適用。

3. 反相模式（Inverting）
   生成與輸入電壓極性相反的輸出電壓。例如，輸入5V時，輸出-5V，常用于運算放大器負電源或音頻電路偏置電壓生成。其原理是通過開關切換使飛電容一端接輸入正極，另一端交替接地與輸出端，從而在輸出端積累負電荷。

三、核心優勢與局限性

1. 優勢

• 結構簡單：僅需電容與開關元件（通常集成于芯片內部），體積小、成本低，適合高度集成化設計。

• 靜態功耗低：無電感元件的磁芯損耗，空載時僅消耗開關驅動電流（典型值<1μA），延長電池壽命。

• 響應速度快：電容充放電時間常數小，可快速跟蹤負載電流變化，適用于瞬態負載場景。

2. 局限性

• 輸出電流受限：輸出電流過大時，電容充放電時間延長，導致輸出電壓跌落。典型充電泵芯片輸出電流多在100mA-500mA范圍內，高電流需求需并聯多相電路或改用電感型DC-DC。

• 紋波較大：開關切換引起的電荷轉移會在輸出端產生紋波（典型值10mV-50mV），需額外濾波電容抑制。

• 效率波動：升壓模式下，輸出電壓越高，開關損耗占比越大，效率可能低于70%；反相模式效率通常優于升壓模式。

四、典型應用場景

1. 便攜設備供電
   在智能手機、可穿戴設備中，充電泵用于生成LCD偏置電壓（如-15V）、攝像頭傳感器供電（如6V）或音頻放大器負電源，替代笨重的電感元件，節省PCB空間。

2. 射頻與模擬電路
   為射頻功率放大器（PA）提供高電壓（如3.3V→6V），或為運算放大器生成負電源（如+5V/-5V），提升電路動態范圍。

3. LED驅動
   通過升壓充電泵驅動多串LED（如3.3V→9V），實現均勻亮度控制，廣泛應用于背光顯示與手電筒電路。

充電泵電路以電容為核心，通過開關切換實現靈活的電壓轉換，其簡單、高效、低噪聲的特性使其成為低功耗、小體積電源設計的理想選擇。隨著集成電路技術的發展，單芯片充電泵（如MAX1759、LTC3260）已集成軟啟動、過流保護及低功耗模式，進一步拓展了其應用范圍。