(1)若控制脉冲为低电平时，其反向输出为高电平，其等效电路如图3(b)所示，此时D1乃顺向偏压，D2为逆向偏压，C1的跨压Vc1最高可充电至Vc1-(Vcc-Vd)的电压量，式中的Vd为二极管的顺向偏压，此时的电流方向如图上的I所示。

　　(2)当控制脉冲为高电平时，其反向输出为低电平，此时C1的跨压Vc1的正端相当於接地，如等效电路图3(c)所示，此时D1为逆向偏压，而D2为顺向偏压，承接刚才的C1跨压，C2最高可充电至-(Vcc-2Vd)的电压，而其电压对应於接地是负的。

　　其中C1飞轮电电容来回移动，电荷由输入至输出，而C2储能电容稳住电荷，对输出电压有稳定作用。在此电路，可以控制脉冲的充电周期来达到理想的输出。

　　然而电荷泵的电路除应用於降压外，仍可应用於升压，以MAXIM公司出品的IC编号为MAX619的电荷泵IC为例，如图4所示。其操作原理如下∶

　　(1)当开关SW1、SW3与SW7、SW5导通，而其他开关打开(OFF)时，其C1、C2各自充电至大小约为V1的电压。

　　(2)承上个状态，当开关SW2、SW4、SW6导通，而其他开关打开(OFF)时，前状态所充的约V1大小的电压和电容C1、C2上的电压串联起来对C4电容充电而得到输出电压Vo其最高可充至VI的3倍电压。

　　MAX619的使用规格为1.8V-3.6V时，输出可为5V/20mA，而输入大於3V时，输出可为5V/50mA，其消耗功率如下式∶Powerloss = Iout×[(2或3)VI-Vo]其消耗功率端视放大後的电压(2或3)VI和Vo的差压及输出电流Iout大小而定，由电路都是电容元件，此电路的效率会比低压降转换器(LDO)高得多，而且电路架构不需要电感，且其使用电容可用陶瓷电容即可。因此电磁干扰小，体积及价格上亦较电感低，在便携式电源的设计当中占有极重要的角色。

　　电荷泵电路的特点如下∶

　　· 容易使用∶除输入输出端各加一个电源外，再加一个泵电容(Cpump)即可。

　　· 相较於LDO，电路效率较高。

　　· 低EMI或输出纹波。

　　· 输出电源的瓦数和VI/Vout电压比值受限。

　　· 价钱中等。

　　常用的电荷泵电路IC如TI的TPS601XX~TPS603XX，　特公司的LTC1682、LTC1516/17，或MAXIM的/1912/1916，ON semiconductor的NCP5603等都是。

　　图2. 电荷泵IC 之使用电路

　　图3(a). 简单的电荷泵电路

　　图3(b). 控制脉冲(CLK)为低电平时的等效电路

　　图3(c)、控制脉冲(CLK)为高电平时的等效电路

　　电荷泵的应用

　　电荷泵主要有哪些应用?

　　在过去的十年了,电荷泵得到了广泛运用,从未调整单输出IC到带多输出电压的调整IC。输出功率和效率也得到了发展,因此现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流,效率达到75%(平均值)。电荷泵大多应用在需要电池的系统,如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。

　　主要应用包括驱动用于手机背光的白光LED和毫瓦范围的数字处理器(如图)。

　　电荷泵如何工作?

　　电荷泵(开关电容)IC通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容供电或断电来进行DC/DC电压转换。基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电和断电这两个状态之间切换。C1(充电电容)传输电荷,而C2(充电电容器)则储存电荷并过滤输出电压。

　　额外的“快速电容”和开关阵列带来多种好处。

　　电荷泵有哪些工作模式?

　　电荷泵IC可以用作逆变器、分路器或者增压器。逆变器将输入电压转变成一个负输出。作为分路器使用时,输出电压是输出电压的一部分,例如1/2或2/3。作为增压器时,它可以给I/O带来一个1.5X或者2X的增益。很多便携式系统都是用一个单锂离子电池或者两个金属氢化物镍电池。因此当在2X模式下运行时,电荷泵可以给一般在3.3V到4.0V的范围内工作的白光LED供应适当的正向电压。

　　电荷泵的输出电压经过调节吗?

　　基本电荷泵缺少调整电路,因此实际上所有当今使用的电荷泵IC都增加线性调整或者电荷泵调制。线性调整的输出噪音最低,并可以在更低的效率情况下提供更好的性能。而由于调整IC没有串联传输晶体管,控制开关电阻的电荷泵调制就可以提供更高的效率,并为一个给定的芯片面积(或消耗)提供更多的输出电流。

　　电荷泵的主要优势是什么?

　　电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。但是,仍然有一个可能的微小噪音源,那就是当快速电容和一个输入源或者另外一个带不同电压的电容器相连时,流向它的高充电电流。同样的,“分路器”电荷泵也能在LDO上改进效率,但又不会像感应降压调整器那样复杂。

　　电荷泵的输出电压和它的输入电压适配吗?

　　电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如,它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时,电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时,电荷泵则在1X模式下运行,此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

　　增加电容的开关频率会发生什么变化?

　　增加开关频率也就增加了IC的静态电流,但是也同时降低了C1和C2的电容值。常态频率结构提供低噪音调整输出电压,同时其输入噪音也比传统的电荷泵调节器要低。高频率操作简化了过滤,从而进一步降低了传导噪音。

　　哪些电容器最适用于电荷泵?

　　要实现最优的性能,就要采用带低等效并联电阻(ESR)的电容器。低 ESR电容器须用在IC的输出上,来将输出波纹和输出电阻最小化,并达到最高的效率。陶瓷电容器就可以做到这一点,但是某些钽电容器可能要比较合适一点。

　　电荷泵软启动将带来什么效应?

　　软启动可以在启动时阻止在VIN出产生过多的电流流量,从而增加了可定期用于输出电荷储存电容器的电流量。软启动一般在设备被关机时激活,并在设备获得调整之后立刻屏蔽。

　　电荷泵IC如何将功率消耗最小化?

　　通过运用脉冲频率调制,IC只有在当电荷必须传输出去来保持输出调节的时候才产生电荷。当输出电压高于目标调节电压时,IC是闲置的,此时消耗的电流最小,因为储存在输出电容器上的电荷会提供负载电流。而随着这个电容器不断放电以及输出电压逐渐降到目标调节电压一下,电荷泵才会激活并向输出传输电荷。这个电荷供给负载电流,并增加输出电容器上的电压。