摘自：今日电子
作者：方佩敏
电荷泵电压反转器满足便携式电子产品电源的需要
电荷泵电压反转器是一种DC/DC变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即VOUT = -VIN。另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即VOUT≈2VIN。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（Charge Pump Converter）。
---- 虽然有一些DC/DC变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广泛的应用。
---- 目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能工作。例如，D/A变换器电路、A/D变换器电路、V/F或F/V变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自INTERSIL公司开发出ICL7660电压反转器IC后，用它来获得负电源十分简单，90年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用。
---- 便携式电子产品发展神速，对电荷泵变换器提出不同的要求，各半导体器件公司为满足不同的要求开发出一系列新产品，本文将作一个概况介绍。
基本工作原理
---- 电荷泵变换器的基本工作原理如图1所示。它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，外接两个电容C1、C2构成电荷泵电压反转电路。
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图1：电荷荷电压反转器工作原理
振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关S1及S2；此脉冲经反相器反相后控制S3及S4。当S1、S2闭合时，S3、S4断开；S3、S4闭合时，S1、S2断开。
---- 当S1、S2闭合、S3、S4断开时，输入的正电压V+向C1充电（上正下负），C1上的电压为V+；当S3、S4闭合、S1、S2断开时，C1向C2放电（上正下负），C2上充的电压为-VIN，即VOUT=-VIN。当振荡器以较高的频率不断控制S1、S2及S3、S4的闭合及断开时，输出端可输出变换后的负电压（电压转换率可达99%左右）。
---- 由图1可知，电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将有变化。电荷泵电压反转器TC1044S的输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）如图2所示。由图2可清楚看出：输出电流越大，输出电压变化越大。
---- 一般以输出电阻Ro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Io时，输出电压变化为△V，则输出电阻Ro为：
---- Ro = △V/Io
---- 输出电阻Ro越小，输出电压变化越小，输出特性越好。在图2中可以看出：输出电流为零时，输出电压为-5V；当输出电流Io为20mA时，输出电压变成-4V，则平均输出电阻Ro为：
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图2：输出电压与输出电流的关系
Ro = [-4-(-5)]/20mA = 50Ω
新型电荷泵变换器的特点
---- 80年代末90年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以ICL7660为基础开发出一些改进型产品，如MAXIM公司的MAX1044、Telcom公司的TC1044S、TC7660和LTC公司的LTC1044/7660等。这些改进型器件功能与ICL7660相同，性能上有改进，管脚排列与ICL7660完全相同，可以互换。
---- 这一类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频率低，使外接电容容量大；静态电流大。
---- 90年代以后，随着半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展，各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进，并开发出一些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为：
---- 1. 提高输出电流及降低输出电阻
---- 早期产品ICL7660在输出40mA时，使-5V输出电压降为-3V（相差2V），而新型MAX660输出电流可达100mA，其输出电阻Ro仅为6.5Ω，MAX660在输出40mA时，-5V输出电压为-4.74V（相差仅0.26V），即输出特性有较大的提高。MAX682的输出电流可达250mA，并且在器件内部增加了稳压电路，即使在250mA输出时，其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品还有AD公司的ADM8660、LT公司的LT1054等。
---- 2. 减小功耗
---- 为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽可能减小器件的静态电流。近年来，开发出一些微功耗的新产品。ICL7660的静态电流典型值为170μA，新产品TCM828的静态电流典型值为50μA，MAX1673的静态电流典型值仅为35μA。另外，为更进一步减小电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使器件耗电降到1μA以下，另外关闭负电源后使部分电路不工作而进一步达到减少功耗的目的。例如，MAX662A、AIC1841两器件都有关闭功能，在关闭状态时耗电< 1μA，几乎可忽略不计。这一类器件还有TC1121、TC1219、ADM660及ADM8828等。
---- 3. 扩大输入电压范围
---- ICL7660电荷泵电路的输入电压范围为1.5～10V，为了满足部分电路对更高负压的需要，已开发出输入电压可达18及20V的新产品，即可转换成-18或-20V的负电压。例如，TC962、TC7662A的输出电压范围为3～18V，ICL7662、Si7661的输入电压可达20V。
---- 4. 减少占印板的面积
---- 减少电荷泵变换器占印板面积有两种措施：采用贴片或小尺寸封装IC，新产品采用SO封装、μMAX封装及开发出尺寸更小的SOT-23封装；其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时，电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关：工作频率越高，电容容量越小。工作频率在几kHz到几十kHz时，往往需要外接10μF的泵电容；新型器件工作频率已提高到几百kHz，个别的甚至到1MHz，其外接泵电容容量可降到1～0.22μF。
---- ICL7660工作频率为10kHz，外接10μF电容；新型TC7660H的工作频率提高到120kHz，其外接泵电容已降为1μF。MAX1680/1681的工作频率高达1MHz，在输出电流为125mA时，外接泵电容仅为1μF。TC1142工作频率200kHz，输出电流20mA时，外接泵电容仅为0.47μF。MAX881R工作频率100kHz，输出电流较小，其外接泵电容仅为0.22μF。
---- 若采用SOT-23封装的器件及贴片式电容，则整个电荷泵变换器的面积可做得很小。
---- 5. 输出负电压可设定（调整）
---- 一般的电荷泵变换器的输出负电压VOUT = -VIN，是不可调整的，但新型产品MAX1673可外接两个电阻R1、R2来设定输出负电压，如图3所示。输出电压VOUT与R1、R2的关系为：
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图3：新器件的输出电压可通过电阻设定
---- VOUT = -(R2/R1)VREF
---- 式中VREF为外接的基准电压，如图3的参数输出电压VOUT = -3V。MAX881R、ADP3603～ADP3605、AIC1840/1841等都有这种功能。
---- 6. 两种新型的四倍压器件
---- MAX662A是一种输入5V电压输出12V带稳压的电荷泵变换器，输出电流可达30mA，它用于闪速存储器编程电源（Flash Memory Programming Supply）。该器件实际上是经两次倍压（四倍压）后其经稳压后输出。图4是典型应用电路图，其中关闭电源控制端（SHDN）直接由μP来控制。
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图4：新型四倍压器件
---- LTC1502是另一种工作原理与MAX662A相同的四倍压器件（它是LT公司1999年一季度推出的新产品）。该器件用一节可充电电池或一节碱性电池就可输出3.3V稳定的电压。另外，它最低的输入电压为0.9V，可充分利用电池的能量。输出电压精度为3.3V±4%，输出电流为10mA。该器件静态电流仅为40μA，并有关闭电源控制，外围元件仅5个电容，若采用贴片式电容，整个电源面积小于0.125平方英寸。
---- 7. 砷化镓MOSFET偏置电源
---- 通信电路中应用的砷化镓MOSFET往往需要-2V偏置电压。MAX881R、AIC1840、TCM850～TCM853等就是为砷化镓MOSFET提供偏置电压的器件。该类器件输出噪声低（一般为1～2mVp-p），并且有关闭电源控制；MAX881R还有电源故障标志（Power OK）输出端（当输出电压比额定电压低7.5%时，输出低电平）。（POK端直接与μP相连接。）
---- 这种电荷泵变换器已大量应用于峰窝电话、PCS电话、PHS电话等通信装置中。
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