情况很简单–您有一个低电压电源轨，例如3.3V，而您想为需要5V的电源供电。这是一个艰难的要求，尤其是在涉及电池的情况下。唯一明显的方法是开关模式转换器，更具体地说是升压转换器。
这就是我们遇到的障碍–升压转换器在低功率时效率低下，因为消耗大量能量只是为了保持对点的调节并驱动电源开关。而且，这种类型的开关模式转换器会产生噪音-如果您要处理敏感电路，这将是一个问题。您处于过度设计的解决方案的不舒适位置。线性稳压器不能反向工作，因此可以排除由于设计不足而造成的后果。
那么，我们应该在过度设计和欠设计之间划清界限吗？
这个问题的答案是电荷泵，它本身就是一种开关模式电源。顾名思义，这种转换器会移动离散电荷，而存储这些离散电荷的组件是电容器，因此这种转换器也称为飞电容转换器。
电荷泵使用电容器产生输入电压的离散倍数。
电荷泵如何工作？
理解这种情况的最好方法是想象以下情况。
您使用9V电池为电容器充电，因此电容器两端的电压也为9V。然后，您再接一个电容器并将其充电至9V。现在，串联两个电容器，并测量它们之间的电压– 18V。
这是电荷泵工作的基本原理–取两个电容器，分别给它们充电，然后串联起来，尽管在真正的电荷泵中是通过电子方式进行重新排列的。
当然，这不仅限于两个电容器，连续级也可以级联以获得输出上的更高电压。
电荷泵的局限性
在建造一个泵之前，最好先了解一下电荷泵的局限性。
1.可用的输出电流–由于电荷泵不过是电容器，电容器会周期性地充电和放电，因此可用电流非常低–在少数情况下，使用正确的芯片可以为您提供100mA的电流，但效率较低。
2.添加的级数更多并不意味着电压输出会增加很多倍–每个级都加载上一级的输出，因此输出不是输入的理想倍数。添加的阶段越多，这个问题就越严重。
建立电荷泵电路
此处显示的电路适用于使用常绿555定时器IC的简单三级电荷泵。从某种意义上说，该电路是“模块化”的-级可以级联以增加输出电压（注意第二个限制）。
所需组件
1.对于555振荡器
- 555计时器–双极型
- 10uF电解电容器（去耦）
- 2个100nF陶瓷电容器（去耦）
- 100pF陶瓷电容器（定时）
- 1K电阻（定时）
- 10K电阻（定时）
2.对于电荷泵
- 6个IN4148二极管（也建议使用UF4007）
- 5个10uF电解电容器
- 100uF电解电容器
需要注意的重要一点是，电荷泵中使用的所有电容器的额定电压必须比预期的输出电压高几伏。
电路原理图
这是在面包板上的外观：
电荷泵电路说明
1. 555计时器
此处显示的电路是一个简单的555定时器不稳定振荡器。定时分量产生的频率约为500kHz（对于双极555而言，其本身就是一项壮举）。这种高频率确保电荷泵上的电容器定期“刷新”，以使输出电压不会有太大的纹波。
2.电荷泵
这是整个电路中最令人生畏的部分。像大多数其他事物一样，可以通过将其分解为一个单元来理解它：
假设启动期间引脚3（555定时器的输出）为低电平。由于负极现在已接地，因此这会导致电容器通过二极管充电。当输出变为高电平时，负极引脚也变为高电平-但由于电容器上已经有电荷（由于二极管，该电荷无法到达任何地方），因此电容器正极端子上的电压实际上是输入电压的 两倍 。
这是电容器的正极：
最终结果是，您实际上将V CC的偏移量添加到555定时器的输出中。
现在，由于存在50％的巨大纹波，因此直接用作输出的该电压已无用。为了解决这个问题，我们添加了一个峰值检测器，如下图所示：
这是上面电路的输出：
而且我们已经成功地将电压输出提高了一倍！
电路构造技巧
双极555以其在电源轨上产生的电源尖峰而闻名，因为输出推挽级几乎在过渡期间使电源短路。因此，去耦是强制性的。
我将快速绕道，告诉您有关正确去耦的信息。
这是没有去耦的振荡器的V CC引脚：
这是具有正确去耦的同一引脚：
您可以清楚地看到一些去耦的区别。
建议在电荷泵级使用低电感陶瓷SMD电容器。正向压降低的肖特基二极管也可以改善性能。
使用具有适当输出级的CMOS 555（甚至是TC4420等栅极驱动器）也可以减少（但不能消除）电源尖峰。
电荷泵变化
电荷泵不仅可以提高电压，还可以用于反转电压极性。
该电路的工作方式与倍压器相同-当555输出变高时，电容充电；当输出变低时，电荷沿相反方向通过第二个电容器，从而在输出上产生负电压。
在哪里使用电荷泵？
- 仅在单个电压可用的电路中为运算放大器提供双极性电源。运算放大器不会消耗太多电流，因此非常适合。这样做的好处是，可以从同一输出驱动一个反相器和一个倍频器，例如从5V电源产生±12V电源。
- 栅极驱动器–自举是一种选择，但是电荷泵有可能产生更高的电压，例如，由3.3V电源提供12V栅极驱动器。在这种情况下，自举不会给您超过7V的电压。
因此，电荷泵是简单高效的设备，可用于产生输入电压的离散倍数。