電荷幫浦的基本原理

電容是存儲(chǔ)電荷或電能，并按預(yù)先確定的速度和時(shí)間放電的裝置。如果一個(gè)理想的電容以理想的電壓源VG 進(jìn)行充電（見(jiàn)圖1a），將依據(jù)Dirac電流脈波函數(shù)立即存儲(chǔ)電荷（圖1b）。存儲(chǔ)的總電荷數(shù)量按以下方式計(jì)算︰Q＝CVG
實(shí)際的電容具有等效串聯(lián)阻抗（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），兩者都不會(huì)影響到電容存儲(chǔ)電能的能力。然而，它們對(duì)開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器的整體轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。實(shí)際電容充電的等效電路如（圖1c）所示，其中RSW 是開(kāi)關(guān)的電阻。充電電流路徑具有串行電感，透過(guò)適當(dāng)?shù)钠骷季衷O(shè)計(jì)可以降低這個(gè)串行電感。

一旦電路被加電，將產(chǎn)生指數(shù)特性的瞬態(tài)條件，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)條件為止。電容的寄生效應(yīng)限制峰值充電電流，并增加電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間。因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷幫浦就利用了這種電容特性，如（圖2a）所示。

圖1︰從一個(gè)電壓源對(duì)電容進(jìn)行充電（圖a 和b 是理想情況，c 和d 是實(shí)際情況）。電壓變換在兩個(gè)階段內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在第一個(gè)階段期間，開(kāi)關(guān)S1 和S2 關(guān)閉，而開(kāi)關(guān)S3 和S4 打開(kāi)，充電到輸入電壓：
VC1+ VC1-＝VC1+＝VIN
VC1+－VC1-＝VOUT－VIN＝VIN_VOUT＝2VIN
在第二個(gè)階段，開(kāi)關(guān)S3 和S4 關(guān)閉，而S1 和S2 打開(kāi)。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡荒芰⒓锤淖?，輸出電壓突變到輸入電壓值的兩倍︰使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)電壓的倍壓。開(kāi)關(guān)訊號(hào)的工作周期通常為50％，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。以下讓我們更詳細(xì)地了解電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程以及開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器寄生效應(yīng)如何影響其工作