倍壓電荷泵電路的工作機(jī)制與應(yīng)用研究

倍壓電荷泵電路作為一種無(wú)需電感的直流電壓變換裝置，憑借體積小、成本低、噪聲低及集成度高的優(yōu)勢(shì)，在便攜式電子設(shè)備、傳感器系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文闡述倍壓電荷泵電路的核心定義與技術(shù)特征，深入分析典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如二倍壓、多倍壓）的工作原理，探討影響電路性能的關(guān)鍵參數(shù)及優(yōu)化方法，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景說明其工程價(jià)值，為相關(guān)電路設(shè)計(jì)與選型提供理論參考。

2025-12-02 13:50:51常州東村電子有限公司1248

倍壓電荷泵電路的工作機(jī)制與應(yīng)用研究

摘要：倍壓電荷泵電路作為一種無(wú)需電感的直流電壓變換裝置，憑借體積小、成本低、噪聲低及集成度高的優(yōu)勢(shì)，在便攜式電子設(shè)備、傳感器系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文闡述倍壓電荷泵電路的核心定義與技術(shù)特征，深入分析典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如二倍壓、多倍壓）的工作原理，探討影響電路性能的關(guān)鍵參數(shù)及優(yōu)化方法，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景說明其工程價(jià)值，為相關(guān)電路設(shè)計(jì)與選型提供理論參考。

關(guān)鍵詞：倍壓電荷泵；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；工作原理；性能優(yōu)化；應(yīng)用場(chǎng)景

一、引言

在直流電源變換技術(shù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)開關(guān)電源依賴電感實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與電壓變換，雖能實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)壓，但存在體積大、電磁干擾（EMI）強(qiáng)、成本較高等問題，難以適配智能手機(jī)、智能穿戴設(shè)備、微型傳感器等對(duì)小型化、低噪聲要求嚴(yán)苛的場(chǎng)景。倍壓電荷泵電路（Voltage Doubler Charge Pump）作為一種基于電容儲(chǔ)能的非隔離式電壓變換技術(shù)，通過電容的充放電循環(huán)與二極管的單向?qū)щ娦裕瑢?shí)現(xiàn)輸入電壓的倍壓輸出，具有無(wú)電感、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、噪聲低、易于集成等突出優(yōu)勢(shì)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電感式變換器的不足。

自20世紀(jì)中期倍壓電路原理提出以來(lái)，隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，倍壓電荷泵電路已從早期的分立元件結(jié)構(gòu)逐步演進(jìn)為集成化芯片，輸出效率與穩(wěn)定性大幅提升，應(yīng)用場(chǎng)景從早期的CRT顯像管高壓供電拓展至現(xiàn)代電子設(shè)備的多個(gè)領(lǐng)域。本文針對(duì)倍壓電荷泵電路的核心技術(shù)展開研究，系統(tǒng)解析其工作機(jī)制與性能優(yōu)化路徑，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供支撐。

二、倍壓電荷泵電路的核心概念與技術(shù)特征

2.1 核心定義

倍壓電荷泵電路是一種利用電容作為能量存儲(chǔ)元件，通過周期性控制開關(guān)管的通斷狀態(tài)，使電容交替完成充電與放電過程，借助二極管的單向?qū)щ娞匦詫?shí)現(xiàn)電壓疊加，最終輸出高于輸入電壓的直流電源變換電路。其核心功能是在無(wú)電感參與的情況下，通過電容的電荷轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)電壓倍增，輸出電壓通常為輸入電壓的整數(shù)倍（如2倍、3倍等），部分改進(jìn)型拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)非整數(shù)倍調(diào)壓。

2.2 技術(shù)特征

與傳統(tǒng)電感式開關(guān)電源相比，倍壓電荷泵電路具備以下顯著技術(shù)特征：一是無(wú)電感設(shè)計(jì)，避免了電感帶來(lái)的體積冗余與電磁干擾，電路整體尺寸大幅縮減，適配小型化設(shè)備需求；二是噪聲水平低，電容充放電過程的電磁輻射遠(yuǎn)低于電感開關(guān)過程，無(wú)需額外EMI抑制電路，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；三是集成度高，核心元件（電容、二極管、開關(guān)管）可與控制電路集成于單一芯片，降低外圍器件成本；四是輸入輸出非隔離，電路結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，但受限于電容儲(chǔ)能特性，輸出電流較小，通常適用于低功耗負(fù)載場(chǎng)景；五是響應(yīng)速度快，開關(guān)管通斷控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)于電感式變換器，可快速適配負(fù)載變化。

三、倍壓電荷泵電路的典型拓?fù)渑c工作原理

倍壓電荷泵電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)輸出倍壓系數(shù)可分為二倍壓、三倍壓、多倍壓等類型，其中二倍壓電路是最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛的拓?fù)湫问剑啾秹弘娐吠ǔ；诙秹涸頂U(kuò)展而來(lái)。本文以典型二倍壓電路和三倍壓電路為例，解析其工作機(jī)制。

3.1 經(jīng)典二倍壓電荷泵電路

經(jīng)典二倍壓電路由兩個(gè)電容（C1、C2）、兩個(gè)二極管（D1、D2）及輸入電源（Vin）組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，倍壓系數(shù)為2，核心工作過程分為充電階段與放電階段，受時(shí)鐘信號(hào)控制的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段的切換。

充電階段：當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)管S1閉合、S2斷開，輸入電壓Vin通過二極管D1對(duì)電容C1充電。此時(shí)二極管D1正向?qū)ǎ珼2反向截止，電容C1兩端電壓逐漸充至輸入電壓Vin，充電回路為Vin→S1→D1→C1→地。此階段電容C1完成能量存儲(chǔ)，為后續(xù)電壓疊加做準(zhǔn)備。

放電階段：當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)管S1斷開、S2閉合，電容C1存儲(chǔ)的電荷通過二極管D2向電容C2放電，同時(shí)輸入電壓Vin與C1兩端電壓形成串聯(lián)疊加。此時(shí)D1反向截止，D2正向?qū)ǎB加后的電壓（Vin+Vin=2Vin）對(duì)C2充電，使C2兩端電壓穩(wěn)定在2Vin左右，放電回路為C1正極→D2→C2→S2→C1負(fù)極，同時(shí)Vin通過S2與C1串聯(lián)參與對(duì)C2的充電。

在時(shí)鐘信號(hào)的周期性控制下，充電與放電過程交替進(jìn)行，電容C2持續(xù)獲得穩(wěn)定的二倍壓輸出，當(dāng)負(fù)載接入C2兩端時(shí)，即可獲得2Vin的直流供電。該拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件數(shù)量少，但輸出電壓受負(fù)載電流影響較大，負(fù)載電流增大時(shí)，C2放電速度加快，輸出電壓紋波會(huì)顯著增加。

3.2 三倍壓電荷泵電路

三倍壓電路基于二倍壓原理擴(kuò)展，通過增加一組電容與二極管實(shí)現(xiàn)三倍壓輸出，核心結(jié)構(gòu)包括三個(gè)電容（C1、C2、C3）、三個(gè)二極管（D1、D2、D3）及開關(guān)管。其工作過程同樣分為兩個(gè)階段，本質(zhì)是通過多電容的串聯(lián)疊加實(shí)現(xiàn)更高倍數(shù)的電壓變換。

充電階段：時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)管S1閉合、S2斷開，輸入電壓Vin通過D1對(duì)C1充電至Vin，同時(shí)通過D2對(duì)C2充電至Vin（此時(shí)C2與C1并聯(lián)充電），充電回路為Vin→S1→D1→C1→地和Vin→S1→D2→C2→地。此階段C1與C2均存儲(chǔ)Vin的電能。

放電階段：時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)管S1斷開、S2閉合，C1與C2串聯(lián)形成2Vin的疊加電壓，通過D3對(duì)C3充電，同時(shí)輸入電壓Vin與串聯(lián)后的C1、C2形成三倍壓疊加（Vin+Vin+Vin=3Vin），使C3兩端電壓充至3Vin。放電回路為C1正極→C2正極→D3→C3→S2→C2負(fù)極→C1負(fù)極，Vin通過S2參與串聯(lián)疊加過程。通過周期性的充放電循環(huán)，C3兩端可穩(wěn)定輸出3Vin的直流電壓。

多倍壓電路的倍壓系數(shù)可通過增加電容與二極管的數(shù)量進(jìn)一步提升，但隨著倍壓系數(shù)的增大，電路的輸出效率會(huì)顯著下降。這是因?yàn)槊總€(gè)二極管存在正向壓降，電容存在漏電流，多元件的能量損耗疊加后，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓實(shí)際值低于理論倍壓值，同時(shí)輸出紋波與負(fù)載敏感性也會(huì)加劇，因此實(shí)際應(yīng)用中倍壓系數(shù)通常不超過5倍。

四、倍壓電荷泵電路的關(guān)鍵性能參數(shù)與優(yōu)化方法

4.1 核心性能參數(shù)

評(píng)估倍壓電荷泵電路性能的關(guān)鍵參數(shù)包括輸出效率、輸出紋波、負(fù)載調(diào)整率及響應(yīng)速度：輸出效率是輸出功率與輸入功率的比值，受二極管正向壓降、電容漏電流、開關(guān)管導(dǎo)通電阻等因素影響，典型效率范圍為60%-90%；輸出紋波是輸出電壓的波動(dòng)幅度，主要由電容充放電特性決定，低紋波是高精度設(shè)備的核心要求；負(fù)載調(diào)整率指負(fù)載電流變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定程度，通常用負(fù)載電流變化時(shí)的輸出電壓變化率表示；響應(yīng)速度則反映電路對(duì)輸入電壓或負(fù)載變化的適應(yīng)能力，由開關(guān)管控制邏輯與電容特性決定。

4.2 性能優(yōu)化方法

針對(duì)倍壓電荷泵電路的性能短板，可從元件選型與拓?fù)涓倪M(jìn)兩方面進(jìn)行優(yōu)化：在元件選型上，選用低正向壓降的肖特基二極管替代普通硅二極管，可降低導(dǎo)通損耗，提升輸出效率；選擇高容量、低漏電流的陶瓷電容作為儲(chǔ)能電容，能減少充放電過程的能量損耗，降低輸出紋波；采用低導(dǎo)通電阻的MOSFET作為開關(guān)管，可減少開關(guān)損耗，提升電路響應(yīng)速度。

在拓?fù)涓倪M(jìn)上，引入反饋控制機(jī)制是提升穩(wěn)定性的有效手段，通過電壓采樣電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓，動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)管的通斷頻率或占空比，可抑制負(fù)載變化導(dǎo)致的電壓波動(dòng)，提升負(fù)載調(diào)整率；采用多相位交錯(cuò)控制技術(shù)，將多個(gè)二倍壓?jiǎn)卧⑿泄ぷ鳎ㄟ^相位偏移使各單元的充放電過程互補(bǔ)，有效降低輸出紋波；針對(duì)高倍壓場(chǎng)景，采用分級(jí)倍壓拓?fù)涮娲苯盈B加，將高倍壓分解為多個(gè)低倍壓?jiǎn)卧拇?lián)，可減少單級(jí)電路的能量損耗，提升整體效率。

五、倍壓電荷泵電路的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

憑借小型化、低噪聲、高集成度的優(yōu)勢(shì)，倍壓電荷泵電路在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了成熟應(yīng)用，尤其適用于低功耗、小體積、對(duì)噪聲敏感的場(chǎng)景。在便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域，智能手機(jī)的攝像頭閃光燈驅(qū)動(dòng)電路常采用二倍壓電荷泵，將電池的3.7V電壓提升至7.4V，為閃光燈提供足夠的工作電壓，同時(shí)無(wú)電感設(shè)計(jì)避免了對(duì)攝像頭成像的電磁干擾；智能手表、藍(lán)牙耳機(jī)等穿戴設(shè)備的顯示屏背光驅(qū)動(dòng)電路，通過倍壓電荷泵將鋰電池電壓提升至5V-10V，驅(qū)動(dòng)LED背光發(fā)光，精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)適配設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)。

在傳感器系統(tǒng)領(lǐng)域，壓力傳感器、紅外傳感器等高精度傳感器的信號(hào)調(diào)理電路需要穩(wěn)定的高壓供電，倍壓電荷泵可將低壓供電（如3.3V）提升至12V-24V，為傳感器的激勵(lì)電路提供電源，低噪聲特性確保了傳感器信號(hào)的采集精度；在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備中，倍壓電荷泵配合能量收集模塊，可將太陽(yáng)能、振動(dòng)能等收集的低壓電能（如0.5V-1V）倍壓至3.3V，為無(wú)線通信模塊供電，提升節(jié)點(diǎn)設(shè)備的續(xù)航能力。

在消費(fèi)電子與工業(yè)領(lǐng)域，LED驅(qū)動(dòng)電路常采用倍壓電荷泵實(shí)現(xiàn)多LED串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，通過提升電壓減少串聯(lián)回路的電流，降低LED的發(fā)熱損耗；在小型打印機(jī)、復(fù)印機(jī)的高壓供電模塊中，多倍壓電荷泵可將低壓直流轉(zhuǎn)換為數(shù)百伏的高壓，為靜電吸附裝置提供電源，相比傳統(tǒng)高壓變壓器大幅縮減了體積。

六、結(jié)論

倍壓電荷泵電路作為一種基于電容儲(chǔ)能的電壓變換技術(shù)，以其無(wú)電感、小體積、低噪聲的核心優(yōu)勢(shì)，在小型化、低功耗電子設(shè)備中占據(jù)不可替代的地位。本文通過對(duì)二倍壓、三倍壓等典型拓?fù)涞墓ぷ髟矸治觯沂玖似渫ㄟ^電容充放電疊加實(shí)現(xiàn)電壓倍增的核心機(jī)制；針對(duì)輸出效率、紋波等關(guān)鍵性能參數(shù)，提出了元件選型與拓?fù)涓倪M(jìn)的優(yōu)化路徑；結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，驗(yàn)證了其在便攜式設(shè)備、傳感器系統(tǒng)等領(lǐng)域的工程價(jià)值。

未來(lái)，隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步與新型電容材料的發(fā)展，倍壓電荷泵電路將向更高效率、更低紋波、更高集成度的方向演進(jìn)，同時(shí)通過與能量收集、智能控制等技術(shù)的融合，其應(yīng)用場(chǎng)景將進(jìn)一步拓展至新能源、醫(yī)療電子等領(lǐng)域，為電子設(shè)備的小型化、低功耗發(fā)展提供更有力的技術(shù)支撐。