每種便攜式電子設(shè)備都具有其獨(dú)特的電源管理方案，但是在所有產(chǎn)品類型中都存在一些共同的電源效率的問題。電荷泵可提供比LDO穩(wěn)壓器更高的工作效率。雖然電荷泵的效率不及電感式DC／DC變換器，但因其不需電感，故它具有高的性價(jià)比。
　　電荷泵通過控制泵電容及調(diào)節(jié)開關(guān)來保持穩(wěn)定的輸出電壓，電荷泵開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在泵電容充電和放電變換周期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)泵電容的并行或串行排列。在給定的輸入、輸出條件（差分電壓）下，應(yīng)選擇電荷泵的工作模式以保持要求的輸出電壓。電荷泵開關(guān)網(wǎng)絡(luò)采用的MOSFET器件具有尺寸小，成本低，開關(guān)速度快，損耗等特點(diǎn)。
　　電荷泵工作在高頻下（1～2MHz）時(shí)，設(shè)計(jì)中應(yīng)選用小尺寸、低成本的多層陶瓷電容（MLC）。MLC非常適合電荷泵，因?yàn)樗某叽绾苄。哂泻芨叩墓β拭芏?、低的ESR（等效串聯(lián)電阻）和低的成本。

　　電荷泵通過與輸出負(fù)載之間的并行連接或串行連接的泵電容網(wǎng)絡(luò)的不斷充電和放電，進(jìn)而從一個(gè)直流輸入電壓產(chǎn)生一個(gè)直流輸出電壓。具有兩個(gè)泵電容（CF1和CF2）的升壓和降壓電荷泵，其CF1和CF2在充電期間與輸電壓相連，能量從輸入電容轉(zhuǎn)移到泵電容。然后在放電期間，CF1和CF2再連接到輸出負(fù)載，則在充電期間保存的能量將傳遞到輸出負(fù)載。降壓電荷泵的原理圖如圖1（a）所示，升壓電荷泵的原理圖如圖1（b）所示。在充電和放電期間，泵電容網(wǎng)絡(luò)（CF1和CF2）可以并行或串行連接，這取決于電荷泵的工作模式（M）。

　　圖1 電荷泵的原理圖

　　在充電期間，電容電壓增加（存儲(chǔ)能量），并在CF1、CF2兩端施加一個(gè)固定的差分電壓（UDIFF）。在放電期間，泵電容電壓降低（釋放能量），UDIFF被倍壓（倍壓比為1／2倍壓、1倍壓、2倍壓）并連接到輸出電容。在放電期間，UDIFF的值取決于可能的輸出電壓（UOUT（max）），實(shí)際的輸出電壓（UOUT）小于或等于UOUT（max），這取決于電荷泵開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的開關(guān)占空比或頻率。對(duì)于降壓電荷泵

　　輸出與輸入電壓的比值是電荷泵的期望增益G，為

　　電荷泵的增益M是一個(gè)固定比例，對(duì)于降壓電荷泵來說，它等于或小于1（M≤1）；對(duì)于升壓電荷泵來說，它大于1（M＞1），因此多模式電荷泵有時(shí)被稱為分?jǐn)?shù)模式電荷泵。電荷泵工作模式設(shè)置的電壓增益為

　　以及

　　通過調(diào)整電荷泵的期望增益來保持一個(gè)在UIN范圍上穩(wěn)定的直流輸出電壓。為了達(dá)到這個(gè)目的，需增加一個(gè)額外的調(diào)節(jié)電阻RM（RM與輸出負(fù)載串聯(lián)）來設(shè)置預(yù)期的增益。此時(shí)

　　電荷泵可動(dòng)態(tài)地設(shè)置M和RM的值?？赏ㄟ^檢測(cè)UDIFF來確定的M，而M用于設(shè)置電荷泵增益；可通過控制頻率或充電和放電開關(guān)占空比來確定RM。

　　電荷泵的輸出電阻是用來確定輸出負(fù)載（IOUT）的，輸出電阻ROUT包括從輸入到輸出電流路徑上的分布寄生電阻、MOSFET的導(dǎo)通電阻（RDS-ON）、印制線電阻和電容等效電阻（ESR）。
　　電荷泵的等效電路如圖2所示，該電路由一個(gè)壓控電壓源（UIN×M）和串聯(lián)輸出電阻RM和ROUT組成，該等效電路對(duì)于降壓和升壓電荷泵的輸出電壓為

　　圖2 電荷泵的等效電路

　　整理可得

　　為使效率化，電荷泵工作在效率的工作模式（M）下。假設(shè)ROUT＝0，則電荷泵必須在轉(zhuǎn)換電壓UIN，下從更高的模式轉(zhuǎn)變到較低的模式，轉(zhuǎn)變電壓時(shí)假設(shè)RM＝0Ω，則

　　在實(shí)踐中，ROUT≠0，并且需要額外的電壓裕量（ΔU（M））。ΔU（M）用于補(bǔ)償ROUT電壓降的輸入電壓。通常，期望獲得的ΔU（M）來保持高I作效率。用下式可以計(jì)算出ΔU（M）。

　　ΔU（M）是輸入電壓裕量的度量，當(dāng)轉(zhuǎn)換到更高的工作模式時(shí)需要該裕量。如果不能滿足這個(gè)要求，將得到較低的輸出電壓（UOUT下降）。電荷泵的輸入電流等于輸出電流乘以電荷泵工作模式變量M，即

　　電荷泵的效率等于輸出功率除以輸入功率，其計(jì)算式為

　　從該式可以看出，在ROUT＝0Ω時(shí)，效率達(dá)到100％。在RM上表現(xiàn)出的增量輸入電壓會(huì)導(dǎo)致效率降低，這樣一來，電荷泵的工作情況類似于LDO穩(wěn)壓器。
　　降壓電荷泵工作在1倍壓線性模式時(shí)泵電容斷開，將開關(guān)RDS-ON（開關(guān)管導(dǎo)通電阻）設(shè)定在線性區(qū)域來維持穩(wěn)定的輸出電壓，以實(shí)現(xiàn)更低的輸出噪聲。在1倍壓線性模式下，通常需要其他的電路來對(duì)穩(wěn)壓電路進(jìn)行控制。
　　電荷泵工作在1倍壓開關(guān)模式時(shí)，輸入電壓UIN經(jīng)調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)節(jié)后輸出。所有的電荷泵均在充電間隙期間存儲(chǔ)能量，在放電間隙輸出能量。調(diào)節(jié)開關(guān)可以增加和降低有效的串聯(lián)電阻，以保持UOUT穩(wěn)定。這種方法會(huì)使降壓電荷泵產(chǎn)生輸入噪聲和輸出噪聲，但是不需要額外的控制電路。

　　電荷泵的工作模式是UIN和ΔU（M）的函數(shù)。如前面所示，輸入電壓裕量（ΔU（M））取決于輸出電流（IOUT）、輸出電阻（ROUT）和工作模式（M）。例如，假設(shè)ROUT＝1Ω，IOUT（max）＝300mA，使用下式計(jì)算UIN裕量為

　　對(duì)于降壓電荷泵有

　　對(duì)于升壓電荷泵有

　　隨著便攜式電子設(shè)各功能的增加，功率的管理策略將越來越重要。故設(shè)計(jì)時(shí)必須在定義結(jié)構(gòu)之前仔細(xì)考慮所有的選項(xiàng)。