电荷泵升压原理
电荷泵工作原理
电荷泵工作原理引言：电荷泵是一种用于产生高电压的电路。
它利用电容器和开关元件的相互作用，通过周期性的切换和充电来将低电压转化为高电压。
电荷泵在电子设备中广泛应用，如静电加速器、数码相机和液晶显示屏等。
一、电荷泵基本原理电荷泵的基本构成是一个或多个电容器和一系列开关元件（如二极管和晶体管）交替连接。
通过适当的控制和调节，可以使电容器中的电荷积累和放大，从而产生高电压。
其主要工作原理如下：1.1 充电阶段首先，在电荷泵电路中，电容器通过一个二极管与地相连，被电源充电。
假设电容器两端的电压为Vc，此时二极管处于导通状态。
充电阶段的持续时间有限，通常是通过一个时钟信号来控制。
1.2 断开二极管当电容器充电完成后，时钟信号将改变二极管的状态，使其变为截止状态。
此时电容器中的电荷存储下来，并且被隔绝在二极管和电源之间，不会流回电源。
1.3 连接另一个电容器现在，我们要将已经充电的电容器和另一个未充电的电容器连在一起。
这时，已充电的电容器会释放出储存的电荷，并将电荷传递给未充电的电容器。
在这个过程中，电荷被传递，并且通过一个附加的二极管来保证流动的方向。
1.4 充电和放大通过不断地重复连接和断开电容器，电荷会从一个电容器传送到另一个电容器，并在每一次传递中都会得到放大。
这样，初始的低电压会得到逐渐增加，从而产生高电压输出。
二、电荷泵的优缺点电荷泵作为一种产生高电压的电路，具有以下优点和缺点：2.1 优点（1）无需外部功率供应：电荷泵利用电容器之间的电荷转移来产生高电压，不需要额外的功率供应。
（2）输出电压可调：通过控制电容器的连接和断开时间，可以调节输出电压的大小。
（3）体积小巧：电荷泵电路由少量的电容器和开关元件组成，因此整个电路的体积较小。
（4）成本低廉：电荷泵电路的构造简单，所需元件成本较低。
2.2 缺点（1）效果受限：由于电容器和二极管的特性，电荷泵电路输出的电压和电流受到一定的限制。
（2）能耗较高：在电荷泵的工作过程中，存在不断的充电和放电过程，这会消耗一定的能量。
DC-DC升压电路原理及应用
DC-DC升压电路原理与应用目前，在手机应用电路中，通常需要通过升压电路来驱动闪光灯模组的LED或者是显示屏背光的LED，并且通常可以根据不同情况下的需求，调节LED的明暗程度。
一般的LED驱动电路可以分成二种，一种是并联驱动，采用电容型的电荷泵倍压原理，所有的LED负载是并联连接的形式；另一种是串联驱动，采用电感型DC-DC升压转换原理，所有的LED负载是串联连接的形式。
这类应用电路中采用的升压器件有体积小，效率高的优点，而且大多数是采用SOT23-5L或者SOT23-6L 的封装，外加少量阻容感器件，占用电路板很小的空间。
在此，结合具体器件的使用情况，介绍这两种升压器件的工作原理和应用。
电容型的电荷泵倍压原理的介绍以AnalogicTech公司的升压器件AAT3110为例，介绍电容型的电荷泵升压电路的工作原理和应用。
器件AAT3110采用SOT23-6L的封装，输出电压4.5V，适用于常态输出电流不大于100mA，瞬态峰值电流不大于250mA的并联LED负载，具体应用电路图，如图1所示。
事先表达一下有关两倍升压模式电荷泵的工作原理。
AAT3110的工作原理框图，如图1、2所示，AAT3110使用一个开关电容电荷泵来升高输入电压，从而得到一个稳定的输出电压。
AAT3110内部通过一个分割电阻网络取样电荷泵输出电压和内部参考电压进展比拟，并由此调节输出电压。
当分割电阻网络取样电压低于内部比拟器控制的预设点(Trip Point)时，翻开双倍电路开关。
电荷泵以两个不重叠的阶段循环开关四个内部开关。
在第一个阶段，开关S1和S4关闭并且S2和S3翻开，使快速电容器CFLY充电到一个近似等于输入电压VIN的电压。
在第二个阶段，开关S1和S4翻开并且S2和S3关闭。
在第一阶段时，快速电容器CFLY的负极接地。
在第二个阶段时，快速电容器CFLY的负极则连接到了VIN。
这样使得快速电容器CFLY正极的电压就升高到了2*VIN，并且通过一个开关连接到输出。
电荷泵设计原理及在电路中的作用
电荷泵设计原理及在电路中的作用
1、电荷泵原理
电荷泵的基本原理是，电容的充电和放电采用不同的连接方式，如并联充电、串联放电，串联充电、并联放电等，实现升压、降压、负压等电压转换功能。
上图为二倍升压电荷示，为最简单的电荷泵电路。
V2输出为方波信号，当V2为低电平的时候，V1通过D1、C1、V2对电容C2充电，C2两端电压上正下负;当V2为高电平输出的时候，V2输出电压与C1两端电压相叠加，通过D3对负载供电并对C2充电。
如果忽略二极管压降，则C2两端电压Vo=V2+V1，其中V2为电压源V2的高电平输出电压。
由于电荷泵整个工作过程的核心部分为电容充放电过程，所以最重要的公式为电容充放电公式：I*T=ΔV*C，其中T为电容充放电周期，
ΔV为每个充放电周期内电容两端电压波动，I为充放电电流。
电荷泵以非常简单的电路可以实现升压、降压、负压等功能，所以各种不同的场合为电路扩展小功率电路。
电荷泵工作原理
电荷泵工作原理
电荷泵是一种电管，可以通过控制电流或电压来把一种可调节的电流传输到一个容积上，从而维持容积内的稳定电荷。
它主要包括对流（吸充电源）、指数（或饱和）及复杂的机械结构。
它一般会出现在自由电子放大器的器件或细胞中，用来控制电荷的容积。
电荷泵的基本工作原理：它利用电荷转移的原理，即保留一定的电流，从而控制并改变电荷的容积，从而影响某些参数，在其工作过程中出现充电和放电的过程。
它是由一个由多个可调节电路（如带有内在放大器功能）和一些机械结构组成的三组件系统组成的。
即流入电路（内部吸充电源）、指数（常数或饱和）和输出电路（输出端）。
首先，它会吸收流入电路对应的电流，然后存储在指数电路对应的电容当中，最后，将这部分电量转移到输出电路，由此控制节容等参数，形成稳定的工作状态，并达到相应的目标。
此外，电荷泵还可以被使用于一些空间电离角度上，即空间电荷平衡方程，可以有效改变空间电荷的稳定容积，当没有可以调节的空间电荷此时也可运用此原理进行调节。
总的来说，电荷泵是一种利用电荷的转移以达到控制稳定电荷的容积的电子器件，它利用内在的电流和指数电路，将流入电流注入到饱和指数电路中，并在其工作过程中实现充放电，以达到稳定电之器件或细胞的容积等目的。
电荷泵(charge pump)原理
电荷泵的基本原理是给电容充电，把电容从充电电路取下以隔离充进的电荷，然后连接到另一个电路上，传递刚才隔离的电荷。
我们形象地把这个传递电荷的电容看成是“装了电子的水桶”。
从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒进一个大水箱[8]。
电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容，而非电感或变压器来储能的DC-DC变换器（直流变换器）。
它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。
其内部的MOSFET开关阵列以一定的方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(1/2,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。
电荷泵的电压变换在两个阶段内实现。
在第一个阶段，开关S1和S2关闭，而开关S3和S4打开，电容C1充电到输入电压：
在第二阶段，开关S3和S4关闭，而S1和S2打开。
因为电容C1两端的电压降不能立即改变，输出电压跳变为输入电压的两倍。
电荷泵解决方案在应用中也有缺点，其主要缺点是：
只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵的转换比率最多只能达到输入电压的2倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的2倍。
典型的电平转换电路MAXx2xx系列芯片因单电源+5V供电，均有电荷泵电平转换器产生±10V电源，以供RS232电平所需。
电荷泵设计原理及在电路中的作用
1、电荷泵原理电荷泵的基本原理是，电容的充电和放电采用不同的连接方式，如并联充电、串联放电，串联充电、并联放电等，实现升压、降压、负压等电压转换功能。
上图为二倍升压电荷示，为最简单的电荷泵电路。
V2输出为方波信号，当V2为低电平的时候，V1通过D1、C1、V2对电容C2充电，C2两端电压上正下负;当V2为高电平输出的时候，V2输出电压与C1两端电压相叠加，通过D3对负载供电并对C2充电。
如果忽略二极管压降，则C2两端电压Vo=V2+V1，其中V2为电压源V2的高电平输出电压。
由于电荷泵整个工作过程的核心部分为电容充放电过程，所以最重要的公式为电容充放电公式：I*T=ΔV*C，其中T为电容充放电周期，ΔV为每个充放电周期内电容两端电压波动，I为充放电电流。
电荷泵以非常简单的电路可以实现升压、降压、负压等功能，所以各种不同的场合为电路扩展小功率电路。
2、电荷泵在电路中的作用1.功率电路中的电荷泵电荷泵的一个非常广泛的用途就是在由N沟道MOSFET构成的半桥电路中为上桥臂提供浮驱电压。
典型接法如下图所示，图中红框内的二极管D及电容Cboot与主电路中半桥的下桥臂T1构成电荷泵。
当半桥的下臂T1开通时，Vcc 通过D与T1为电容Cboot充电;当T1关断T2导通时，Cboot为上臂T2提供MOSFET导通所必需的Vgs电压。
这是由于T2在电路中的位置所决定的，当T2导通时，如果忽略导通压降Vds，T2的源极电压Vs=Vr，所以如果想要饱和导通，加上T2门极上的驱动电压需满足Vg=Vr+Vgs，对于功率型N沟道MOSFET而言，Vgs通常需要15V左右。
电荷泵以很少的元器件满足了这一设计要求，所以在此类应用中得到广泛应用。
虽然上图中所述的自举型电荷泵（采用半桥的下臂作为电荷泵的一部分）使电路设计变得非常简单，但实际使用过程中有些限制，如对桥臂的开通时序和占空比有限制等。
所以，在某些要求比较高的应用场合，采用他驱型的电荷泵，即将电荷泵电路及驱动波形与主功率电路分离，采用外部电路构成电荷泵。
电荷泵的工作原理
电荷泵的工作原理
电荷泵是一种电子元件，其主要功能是将电荷从一处地方移动到另一处地方。
它能够将电荷从低电势的地方（如地点A）抽取出来，并将它们推向高电势的地方（如地点B）。
通过这个过程，电荷泵能够实现电势差的转化。
电荷泵的工作原理基于电场力和电荷在电场中受力运动的机制。
它通常由两个电容器（称为C1和C2）和两个开关（称为S1
和S2）组成。
当S1关闭、S2打开时，C1电容器开始充电，
电荷会从电源源端逐渐流向C1电容器。
此时，C2电容器的上端则连接着一部分电荷，下端则与地相连。
当C1电容器充满电荷后，S1打开、S2关闭，C1与C2电容
器之间的连接会断开，此时C1中的电荷无法通过S1进一步
流动。
不过，C1上依然存在电势差，导致C1的正极电势高于地势。
在这种情况下，C2的下端相对于C1的正极形成低电势区域，同时C2的上端还存在一定的高电势。
由于电荷在电场力下会从高电势区域移向低电势区域，因此在
S1打开、S2关闭的情况下，C1中的电荷会通过外部电路流向
C2的上端，从而完成电荷泵的工作。
这个过程中，电荷从低
电势的地方（C1的正极）被推向高电势的地方（C2的上端），实现电势差的转化。
需要注意的是，电荷泵的工作过程中通常需要一个外部能量源（如电池）来提供能量，以维持电荷的移动。
否则，电荷泵只
能将有限的电荷从低电势地方移向高电势地方，直至全部电荷流动完成。
电荷泵介绍以及工作原理
电荷泵工作原理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）。
电荷泵的应用电荷泵转换器常用于倍压或反压型DC-DC 转换。
电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1MHz。
电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。
电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。
采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。
由于工作频率采用2～3MHz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、ESR 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。
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。
现在的电荷泵可以输出高达250mA的电流，效率达到75%(平均值)。
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背光驱动
串联型驱动电路
串联型驱动电路是出现比较早的驱动电路，早期手机的 LED背光大都采用此种方式 ，顾名思义，串联式驱动电路 中各白光LED采用串联的方式连接在一起，因此，经过各个 灯的电流都是一样的，从而保证了每颗灯的亮度一样，发光 亮度均匀是该方式的最大优点。由于各灯采用串联连接方 式，而每颗灯Vf电压为3.0~3.4V，所以该方式的驱动电路就 需要采用DC/DC升压电路把电压升到所需电压，从而会使该 电路产生EMI辐射，可能影响到手机的射频指标。
背光驱动
内部开关
I VIN + CIN S2 S1
+ CFLY
S4
S3
VOUT COUT
充电
VIN I CIN
S2 S1
+ CFLY
S4
S3
误差放大器
电荷泵基本原理框图 VOUT=2*VIN
取样电阻
VOUT + COUT -
放电
背光驱动
电荷泵的工作状态可为两部分：充电和放电 1)、充电状态时，开关S1和S4闭合，S2和S3断开，Vin对 Cf充电，Cout对负载供电； 2)、放电状态时，开关S2和S3闭合，S1和S4断开，Vin和 Cf串联后对负载供电，同时给Cout充电。输出电压 Vout=Vin+Vcf 充放电的频率取决于开关的开关频率，开关的开关频率由 其前级的控制电路决定。频率越高，则对Cf和Cout的容值要 求越小。取样电阻取出Vout送入误差放大器和Vref进行比 较，比较后的信号经放大后控制Cf的充电时间及充电电压， 以达到稳定输出电压的目的。
背光驱动
并联型驱动电路 虽然串联型电路具有电流匹配度高和效率高的优点，但 是其整体的方案中需要一个功率电感和和一个大的肖特基二 极管，这些使得其综合成本和并联型驱动电路相比没有太大 优势 。同时所需贴片电感尺寸比较大，而且处理不好的话容 易产生EMI问题，所以当前手机上用的背光驱动电路以并联 型电路为主。 早期的并联式驱动电路只是解决了LED所需要的电压问 题，它把电池电压统一通过电荷泵的方式升压到5V或者4.5V 的这样一个固定的电压，然后每一个LED通过串联一定的电 阻阻值来控制LED的电流。 下面先简要说明电荷泵的升压原理。
背光驱动
以S66-A上用的华润矽威的PT4101为例，典型的串联型背 光驱动电路如下图所示：
背光驱动
该IC的FB管脚为反馈输入端，R1为反馈电阻，LED的最大 电流由该反馈电阻控制，IC内部FB管脚上的参考电压为 104mV，反馈电阻的阻值可通过下式算得： R1=104mV/Iled 若Iled=20mA，则R1=104mV/20mA= 5.2ohm，可选 5.1ohm 的1%精度的电阻。 实际应用中EN脚接PWM信号，通过调节PWM信号的占 空比来调节实际流过LED的电流，使LED从不亮到满亮度之 间逐级可变。我们公司一般设五级，分别为20%、40%、 60%、80%、100%。
背光驱动
2、白光LED驱动电路的基本要求 1）满足背光的亮度要求； 2）整个显示屏亮度均匀（不允许有某一部分较亮、另一 部分较暗的情况）； ������ 3）亮度可以方便地调节 ； 4）驱动电路占PCB空间要小； 5）工作效率高； 6）综合成本低； 7）对系统其他模块干扰小 。
背光驱动
以上条件应用场合不同，侧重点也不同，有的方案中可能 会把背光驱动电路的成本放在第一位，而有的方案中则可能 会把背光驱动电路的性能放在第一位。
背光驱动
OV管脚为过压输入端，当LED电路出现断路，即IC输出 开路时，FB端的反馈电压恒定为0V，此时IC就会将占空比调 整到最大，促使输出端电压越来越高，直到IC烧坏。OV脚连 接到输出端，当监测到输出电压超过20V时，该IC就会关 断 ，直到电源重新上电，从而起到输出开路保护的作用。 有的IC没有OV脚，此种情况需在输出端加一个齐纳二极 管，利用它的击穿来保护内部的开关管，如下图：
背光驱动
电荷泵升压原理 电荷泵即通常我们看到的charge pump，是DC/DC的一 种，属于电容式DC/DC，它的原理和电感式DC/DC不同，电 感式DC/DC是利用电感来实现升压，而电荷泵则是利用电容 来实现升压，前者的EMI问题比后者严重很多，电荷泵可以 升压，也可以降压，还可以输出反压。手机背光中用到的一 般都是升压，其升压模式有1X、1.5X、2X等。1X模式即输 出电压和输入电压相同，1.5X模式即输出电压是输入电压的 1.5倍，2X模式即输出电压是输入电压的2倍，下面以2X模式 为例说明电荷泵的升压原理。
手机背光驱动的原理与应用
背光驱动
显示屏按其显示原理大致可分为CRT(显像管)、 LCD(液晶)及OLED三类，从市场应用看，手机中 使用的显示屏主流是LCD，OLED只在翻盖机的小 屏中占有少量份额，而CRT在手机中没有用到。 LCD本身不会发光，要想让其显示所要数据和 图像，就必需使用白光背光源，手机中的白光背 光源一般由数个侧发光白色LED灯组成，LED灯 的个数由屏的大小尺寸决定，一般由2~6个不等。 本文就以该LED灯的驱动为对象，介动
3、白光驱动方式 白光LED驱动方式主要有两种：一种是采用电感升压式 DC/DC升压变换的原理来驱动，所有的LED串联接在一起， 一般也叫做串联型驱动方式；另一种是采用升压式电荷泵驱 动电路，所产生的电压一般在5V/4.5V或者是根据LED的正向 导通电压而自适应确定的一个电压，所有的LED并联在一 起，一般也叫做并联型驱动方式。
背光驱动
下图是手机LCD模组的大概架构，背光LED即在反光膜之 上，导光板之下。
提高光的利用率 将反射光源均匀扩散,遮盖网点,防止 正面出现散射点 接受光源,引导光的散射方向 支撑导光板和所有膜材，防止变形贴歪 反射自灯管所入射的光，提高光的利用率
背光驱动
1、LED的参数 LED的主要参数是Vf/If，其他的是颜色、亮度、波长、发 光角度、效率、功耗等。 Vf：前降电压，LED发光时自身正负极两端的压降。 If：前降电流，一定发光强度下通过LED的电流，发光 强度和If成正比，相同的If下灯的发光强度相同。 手机LCD背光用白光LED正常发光时的If为20mA，Vf一般 为3.0~3.4V 。 LED 在导通时，其电流的变化率远大于前向导通电压的变 化率，所以LED厂家在测试其光学特性及分类时，大多基于 一致的额定电流值（比如5mA 或者20mA），再给出前向导 通电压的变化范围，因而要获得预期的亮度要求，并保证各 个LED 亮度、色度的一致性， 需要相同的驱动电流。