電容是存儲電荷或電能，并按預(yù)先確定的速度和時(shí)間放電的器件。如果一個(gè)理想的電容以理想的電壓源％進(jìn)行充電，如圖1（a）所示，則電容將依據(jù)Dirac電流脈沖函數(shù)立即存儲電荷，如圖1（b）所示。存儲的｀總電荷數(shù)量按下式計(jì)算。

　　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），兩者都不會影響到電容存儲電能的能力。然而，它們對開關(guān)電容電壓變換器的整體轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。實(shí)際電容充電的等效電路如圖1（c）所示，其中Rs．是開關(guān)的電阻。ESL為實(shí)際的電容等效串聯(lián)電感，則在電容的充電電流路徑上具有串聯(lián)電感，通過適當(dāng)?shù)钠骷季衷O(shè)計(jì)可以減小這個(gè)串聯(lián)電感。

　　圖1 電荷泵工作的基本原理圖

　　如圖2（a）所示的電路一旦被加電，由于電容的寄生效應(yīng)限制了峰值充電電流，并增加了電荷轉(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。電荷泵就是利用了這種電容特性來工作的。

　　圖2 電荷泵電路及其工作波形

　　電壓變換在兩個(gè)階段內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。在個(gè)階段期間，開關(guān)S1和S2關(guān)閉，而開關(guān)S3和S4打開，電容充電到其值等于輸入電壓。

　　在第二個(gè)階段，開關(guān)S3和s4關(guān)閉，而S1和S2打開。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡荒芰⒓锤淖?，輸出電壓則跳變到輸入電壓值的兩倍，即

　　使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)電壓的倍壓，通常開關(guān)信號的占空比為50％時(shí)，能產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移效率。

　　圖2（b）中顯示了圖（a）電路實(shí)現(xiàn)電壓倍壓的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。如圖（a）所示電路在階段時(shí)，充電電流會流入到C1中。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR及開關(guān)的電阻。在C，充電后，充電電流呈指數(shù)級地降低。充電時(shí)間常數(shù)是開關(guān)周期的幾倍，更小的充電時(shí)間常數(shù)將導(dǎo)致峰值電流的增加。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，輸出電容CHOLD線性放電以提供負(fù)載電流。

　　在第二階段，C1＋連接到輸出端，放電電流（電流大小與前面的充電電流相同）通過C1流到負(fù)載。在這個(gè)階段，輸出電容電流的變化大約為2IOUT。盡管這個(gè)電流變化應(yīng)該能產(chǎn)生的輸出電壓變化為2IOUT×ESRCHOLD，但使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計(jì)。此時(shí)，CHOLD線性地充電。當(dāng)C1連接到輸入和地之間時(shí)，CHOLD線性地放電?？偟妮敵黾y波峰-峰電壓值為

　　在更高的開關(guān)頻率時(shí)可以采用更小的輸出電容來獲得相同的紋波，電荷泵的寄生效應(yīng)會導(dǎo)致輸出電壓隨著負(fù)載電流的增加而下降。事實(shí)上，總是存在2IOUT的電流流過C1和兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通電阻（RSW），導(dǎo)致產(chǎn)生的功耗為

　　除了這些純粹的電阻損耗，電流IOUT流過開關(guān)電容C1的等效電阻時(shí)產(chǎn)生的功耗為

　　流過CHOLD的電流等于IOUT，其產(chǎn)生的功耗為

　　所有這些損耗可以用下面的等效輸出電阻進(jìn)行匯總。

　　這樣一來，電荷泵的輸出電壓為

　　電荷泵的開關(guān)工作示意圖如圖3所示。同樣的，電壓轉(zhuǎn)換在兩個(gè)階段內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。在個(gè)階段，開關(guān)S1～S3關(guān)閉，而開關(guān)S4～S8打開。因此，C1和C2并聯(lián)，假設(shè)C1＝C2則充電到一半的輸入電壓為

　　圖3 電荷泵的開關(guān)工作示意圖

　　輸出電容CHOLD提供負(fù)載電流，隨著輸出電容的放電，輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，并連接在UIN和UOUT之間。開關(guān)S4～S7關(guān)閉，而S1～S3和S8打開。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡⒉荒芡蛔?，故輸出電壓跳變到輸入電壓值?.5倍；若關(guān)閉S8并保持S1～S7打開，則電路工作在1倍壓線性模式下。
　?。?）2倍壓結(jié)構(gòu)
　　2倍壓結(jié)構(gòu)，顧名思義也就是在輸出端的UOUT電壓為兩倍的輸入端電壓UIN，其所需要的器件為開關(guān)S1～S4與電容CIN、COUT、CPUMP，如圖4所示。而該電路的動(dòng)作過程可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段（Transfer Phase）。

　　圖4電荷泵的2倍壓結(jié)構(gòu)
　　充電階段：S1和S4閉合，S2和S3打開，此時(shí)輸入電壓（UIN）對CPUMP充電，CPUMP兩端的電壓為UIN。
　　轉(zhuǎn)移階段：S1和S4打開，S2和S3閉合，此時(shí)輸入電壓（UIN）與CPUMP串聯(lián)對COUT充電，如此在COUT端的輸出電壓即為兩倍的輸入電壓。

　?。?）1.5倍壓結(jié)構(gòu)
　　1.5倍壓結(jié)構(gòu)也就是在輸出端產(chǎn)生1.5倍的UIN電壓，其所需要的器件為開關(guān)S1～S2與電容CIN，COT，CPUMP1，CPUMP2，如圖5所示，而電路動(dòng)作過程同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。

　　圖5 電荷泵的1.5倍壓結(jié)構(gòu)

　　充電階段：S1、S4和S7閉合，S2、S3、S5和S6打開，此時(shí)輸入電壓（UIN）對CPUMP1和CPUMP2充電，如此在電容兩端的電壓均分別為I／2UIN。
　　轉(zhuǎn)移階段：S1、S4和S7打開，S2、S3、S5和S6閉合，此時(shí)CPUMP1與CPUMP2，為并聯(lián)再與輸入電壓（UIN）串聯(lián)，然后對C。UT充電，如此在C。I T端的輸出電壓即為1．5倍壓的輸入電壓。

　　使用7個(gè)切換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓為輸入電壓的1.5倍壓。實(shí)現(xiàn)輸出電壓為1．5倍輸入電壓的電荷泵電路，當(dāng)其開關(guān)信號的占空比通常為50％時(shí)，可產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移效率。

　　（3）負(fù)壓結(jié)構(gòu)
　　負(fù)壓結(jié)構(gòu)也就是在輸出端的電壓COUT為負(fù)的UIN，其所需器件為開關(guān)S1～S4與電容CIN、COUT、CPUMP1，而電路動(dòng)作過程同樣可分為充電階段與轉(zhuǎn)移階段。
　　充電階段：S1和S2閉合，S3和S4打開，此時(shí)輸入電壓（UIN）對CPUMP充電，如此在電容CPUMP兩端的電壓為（UIN)。
　　轉(zhuǎn)移階段：S1和S2打開，S3和S4閉合，此時(shí)CPUMP對COUT充電，在COUT端的輸出電壓即為負(fù)的輸入電壓，而輸入端對輸出端而言即可獲得兩倍的電壓差。使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓為負(fù)的輸入電壓，開關(guān)信號的占空比通常為50％。