電荷泵和混合降壓結構正在重新定義高效電源設計的可能性，這項技術通過獨特的電容能量傳遞機制，實現(xiàn)了傳統(tǒng)電感方案難以企及的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。本文從宏觀的技術演進維度進行系統(tǒng)性觀察，深入剖析電荷泵實現(xiàn)零電壓開關的物理本質(zhì)、電容與電感儲能的拓撲互易性，以及固比調(diào)理、諧振電荷泵、混合結構調(diào)壓等不同技術路徑的電路特性與應用場景。文章不僅解讀了電荷泵在快充、48V系統(tǒng)、AI處理器供電等領域的應用邏輯，更通過嚴謹?shù)?a target="_blank">電路分析和能量傳遞模型，揭示了電荷泵如何通過改變電路應力特征來突破傳統(tǒng)開關電源的電壓限制與損耗瓶頸，為電源工程師理解這一技術方向提供了一個系統(tǒng)的分析框架和參考視角。

1 引言

電荷泵電路容易部分實現(xiàn)零電壓開關和實現(xiàn)零電流開關。以密度和體積計算儲能，電容儲能大于電感儲能，諧振和混合結構變換對電源變換器性能改善有巨大潛力1。利用電荷泵實現(xiàn)的快充大大改善了用戶體驗，將電荷泵改變電路應力特征的能力2展現(xiàn)得淋漓盡致，促進了專業(yè)社群重新關注這個古老的結構。

線性時不變網(wǎng)絡中電感和電容有拓撲互易性，采用電感實現(xiàn)的電路功能均可以用電容實現(xiàn)對等的功能。交換電容和電感，或?qū)в须姼?電容的網(wǎng)孔代換為電容/電感支路，則電壓的解可以代換為電流的解；這種可代換性也包括變比為N的電荷泵等效為匝比為T的變壓器。這些互易特征的電路示意可參考圖1。

電荷泵有豐富的結構形態(tài)3實現(xiàn)不同功能和改變應力特征；利用電荷泵降低輸入電壓可降低電感開關電源開關節(jié)點寄生電容充放帶來的能量消耗，或者將低壓大電流轉(zhuǎn)換到舒適的電壓和電流。圖1子圖（c）和子圖（d）反映了在電感電路和電容電路中串聯(lián)或并聯(lián)電阻的必要性；沒有電阻，電流或電壓有可能會發(fā)散到無窮大。圖2和圖1用來說明需要關注的兩個關鍵特征，即功率在傳遞過程中和在部分諧振中的影響。

以圖2電路一次開關接觸來計算損失；多次開關時銜接其前一次開關結束時的狀況作為下次開關的初始狀況。如果一個周期內(nèi)能量傳遞過程是平衡的，乘以工作頻率即可推算出功率傳輸能力。圖2子圖（a）中兩二極管是在多周期開關時電感電流的續(xù)流通道；除這兩個二極管外，開關接觸與圖1子圖（e）的初始狀態(tài)注入是等效的，是可用阻尼系數(shù)ζ和固有頻率ω0描述的二階響應系統(tǒng)。圖2子圖（b）、（c）和（d）分別是無電感和無電阻兩個極端條件下的波形和傳輸能力解讀用圖。子圖（b）是開關接觸到穩(wěn)態(tài)的過程中電流電壓波形、電阻帶來的能量損失和向輸出電容傳遞的功率和輸出電容的儲能變化?？梢婋娮枘芰繐p失的峰值和穩(wěn)定值與阻值無關，僅由接觸前后的壓差有關4；傳輸能量的穩(wěn)定值由容值、穩(wěn)態(tài)電壓和電壓變化的乘積決定。子圖（c）顯示電阻損耗與電壓變化呈平方關系增長，Vd/Vs對能量傳遞大小的影響；圖中的紅色曲線為Loss/EC(t)以及在Vd很小的局部的線性化表現(xiàn)。圖中電阻能量損失Loss和能量傳遞EC(t)的比例說明損失占比隨Vd/Vs是單調(diào)遞增的，且與容值無關。子圖（c）說明電荷泵適合較高穩(wěn)態(tài)電壓Vs和較低電壓變化Vd工作5。子圖（d）是無電阻的理想情況6；因為沒有損耗，接觸引起的能量變化引起電感和電容間持續(xù)振蕩。任何時間斷開接觸，能量一定是向輸出電容方向傳遞的；如果能在振蕩波形180°斷開，能量傳遞得以放大。以常見的500kHz開關頻率和10μF有效電容計算，需要41nH電感即可；諧振電荷泵工程上是可行的。

圖3表達了串入固比電荷泵對環(huán)路傳輸函數(shù)的影響。以電流傳輸計算，電荷泵簡單等效為電流等比例放大；響應譜形狀不變，3dB帶寬、穿越頻率和相位裕度均因引入增益N拉高。配合穩(wěn)壓電源串入電荷泵后，穩(wěn)壓采樣點后置到電荷泵之后，相當于電壓擾動采樣增益下降到1/N，穩(wěn)壓電源輸出電流和等效負載下降，環(huán)路帶寬仍表現(xiàn)為拉高7。

2 固比調(diào)理電荷泵

除前述利用電荷泵降低路徑損耗和觸點燒結風險的快充外，僅利用電荷泵自身的應用還包括在 48V 系統(tǒng)中利用4:1電荷泵將48V降低到12V的應用，以及利用1:4（或5）為低壓處理器供電的應 用；這類應用分別叫前置固比和后置固比電源調(diào)理應用。在這類應用中電荷泵并不具備穩(wěn)壓能力， 它只是將48V按固定比例轉(zhuǎn)化為12V，或者以0.4V為例，將給低壓處理器的供電轉(zhuǎn)化為1.6V或2V， 同時供電電流降低到1/4或1/5。

圖4用來說明固比電荷泵的結構，以及其如何改善了與之配合的電感開關穩(wěn)壓電路的應力條件和減小了寄生電容的影響；從簡潔表達出發(fā)，其中的兩個電荷泵電路未考慮諧振工作。

圖4子圖（a）中的輸出儲能電感阻止了瞬變向輸出傳遞，該電路與圖1子圖（e）和圖2子圖（a）是一致的，Lpara和Cpara間會出現(xiàn)阻尼諧振。這個阻尼諧振存在兩個不利影響，其能量損耗是固有的，開關節(jié)點硬開關時沒有辦法降低8，并且該振蕩使開關節(jié)點出現(xiàn)過沖和欠沖過應力9。這部分損耗隨電源電壓變化呈平方關系上升，使得在24V以上工作的開關電源不得不降低開關頻率。開關頻率降低進一步引起電流峰峰值增大，需要采用更大的電容和電感來濾波。采用固比電荷泵將高壓降低后輸出到開關電源，則回避了上述不利影響。

圖4子圖（b）是交錯工作的兩級2:1電荷泵；圖中的兩個用虛線框圈起的部分分別為半電壓開 關的2:1 電荷泵和四分之一電壓開關的2:1電荷泵10。這個結構簡潔易懂11，同時相對于那些復雜變 形結構來講，更有利于高功率應用。這個結構中沒有中間電壓電容，能量通過串聯(lián)電容直接轉(zhuǎn)移到 輸出。其中半電壓開關電荷泵180°錯相工作，四分之一電壓開關電荷泵以兩倍頻率180°錯相工作。

圖4子圖（c）所示電荷泵在高位套接了一個低壓工作的電荷泵，即新增的虛線框圈起的部分， 獲得了 5:1 倍率；這個結構中高位部分和低壓部分工作在五分之一電壓，套接在中間的部分工作在 五分之二電壓。

盡管圖2子圖（b）所示的關系顯示低壓工作不利于電荷發(fā)揮其能量傳遞特性，穩(wěn)態(tài)電壓不利可以由低壓開關的低導通電阻和高頻工作來彌補。電荷泵尺寸緊湊，圖4子圖（b）和子圖（c）所示的結構可以大幅度降低沿PCB橫向分配的電流，是用于垂直供電的合理結構。

2.1 高壓堆、浮動供電電荷泵

高壓堆和浮動供電是固比電荷泵的特定傳統(tǒng)應用場景。參考圖5，子圖（a）用于小電流場合產(chǎn)生高電壓，例如激光雷達為激光器儲能電容供電和脈沖X光儲能供電；子圖（b）是雙NFET推挽結構中高邊柵極驅(qū)動電路的自舉供電浮動電源；子圖（c）是穩(wěn)態(tài)高邊開關NFET驅(qū)動的浮動電源；子圖（d）是IC內(nèi)部集成電荷泵的示意，表達其簡潔性。與子圖（a）和（c）不同，子圖（b）中的浮動供電無法長期維持供電，需要插入一次推挽動作對自舉電容補充電荷，或借助子圖（c）結構維持和補充。子圖（b）采用同步整流器取代了二極管，是考慮在高壓推挽應用時二極管的反向恢復特性會引起反向電流浪涌。

2.2 分壓均衡

分壓均衡是伴隨多串電池應用12和邏輯電路垂直堆疊出現(xiàn)的新應用。這兩個電流結構特征一致，但多串電池均衡應用面臨全串電壓集中到開路故障點的風險，需要配合串組開路措施來保護13。這兩個用途較為復雜，不在此做更多描述。

3 變比電荷泵和混合調(diào)壓結構

圖6是變比電荷泵、混合結構降壓和混合結構升壓的示意。子圖（a）電路在2:1和1:1兩個比例間切換。以兩串電池應用為例，經(jīng)該電路調(diào)理，在負載側(cè)看，可以使兩串電池像是單節(jié)電池一樣；轉(zhuǎn)換到兩節(jié)電池供電時負載可以沿用為單節(jié)電池設計的電路?；旌辖Y構調(diào)壓將固比電荷泵調(diào)理部分與電感開關穩(wěn)壓結構合并在一起，犧牲了電荷泵時間上的對稱性，減少了開關數(shù)量14；產(chǎn)品設計多以交錯多相提高等效頻率和分散應力。變比電荷泵在變比變化瞬時出現(xiàn)較大壓差，電容充放會產(chǎn)生電流浪涌和相應損耗，不適合于頻繁變化變比的應用。

圖7電路套接了混合降壓和后固比擴流調(diào)理電荷泵（同一電路，工作模式差異），設計為高突發(fā)低壓的AI處理器供電。后固比調(diào)理降低了PCB橫向輸送電流，允許穩(wěn)壓電路適當拉遠安裝。穩(wěn)壓電路根據(jù)輸入電壓范圍以三種方式工作，即電荷泵半電壓開關斬波工作、三段工作和飛電容短路全電壓斬波工作，或者配合諧振電荷泵模式以半電壓斬波或全電壓斬波工作。圖中表達了必要時采用電壓模式耦合電感以加快對負載瞬變的響應速度。電壓模式耦合電感在輕載時需要轉(zhuǎn)入單相工作，且在負載進一步減小時阻止產(chǎn)生電感反向電流，以維持高轉(zhuǎn)換效率。電壓耦合使得停止工作相的開關節(jié)點出現(xiàn)負電壓。

圖8電路方案是面向手機和平板應用提出的電源分配網(wǎng)絡。這個方案采用同一電路支持兩串電池中間抽頭供電，利用升壓-降壓過程將能量轉(zhuǎn)移不連續(xù)的電感升壓穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成能量轉(zhuǎn)移連續(xù)的電感降壓穩(wěn)壓，可以減少應力和提高工作頻率，以便采用更小元件實現(xiàn)高功率密度。其均衡能力允許采用不同容量電池串聯(lián)，利用中間抽頭為單電池電壓范圍工作的電路供電。USB作為這類應用的標準接口，5V是必須有的電源。10V~12V則是振動馬達驅(qū)動、音頻功放驅(qū)動和天地通需要的供電電壓范圍。

致謝

在此，謹向在本文撰寫過程中給予支持和幫助的各位，致以誠摯的謝意。

感謝趙清華、張璐、劉新、林風和于亞冰在資料提供上的寶貴貢獻；感謝林風和劉新對本文的審閱。

注釋

1路延（清華教授）在其《功率轉(zhuǎn)換中的乾坤大挪移》中引用了 “Pilawa（加州大學伯克利分校教授）， APEC2024” 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及屈萬園（浙大教授）的表達 “硅進磁退” 和“電容上的能量是死能量”，反映了業(yè)界 對混合結構和諧振變換的專注。儲能視角僅限于電感和電容-電感諧振，并不包括變壓器和電荷泵。變壓器和電荷泵 并非利用其儲能傳遞能量，而分別是利用并聯(lián)電感磁場的變化在線圈間耦合傳遞電壓和利用電荷在不同電壓下搬移 傳遞能量；變壓器和電荷泵誰更有效需要更多維度來評估。路延和屈萬園的文章中均列出了有關引文，可搜索相關 文章來參考。

2通過利用2:1電荷泵和4:1電荷泵將電池和充電電源間的連接路徑電壓升高、電流下降，降低了路徑阻性壓降和 接觸點過流燒結的風險。在貼近電池的位置降壓、倍流，配合源電壓控制有效實現(xiàn)了快充。

3如Doubler結構、Serial-parallel結構、Walton結構、Ladder結構、Dikson結構、Fanbonacci結構和Cross-coupled 結構。圣邦微電子公司網(wǎng)站及公眾號可搜索到趙清華、張璐和劉新編撰的資料和相關視頻介紹。

4接觸電流浪涌與阻值有關，阻值小浪涌幅度大；損耗由電流平方與阻值乘積決定，對消了阻值影響。

5子圖（c）顯示在電容C初始電壓為零時傳遞的能量最大，但這時損耗占比已經(jīng)很大。當電容初始電壓為負電壓時，即Vd/Vs＞1時，傳遞的能量會減小，并且最終出現(xiàn)電容儲能反向釋放的現(xiàn)象。圖中用虛線表達了這些沒有實用性的部分曲線。

6諧振電荷泵在多個專利中有專利要求，如US10873260B2/CN110266184B。

7受其啟動過程行為設計影響以及環(huán)路特點，并非所有開關穩(wěn)壓產(chǎn)品可串入電荷泵正常工作。圣邦微電子劉新利用SGM61181和SGM41603驗證了0~10A負載跳變時的改善效果。

8軟開關可以回避這些寄生的影響，但電路代價大。

9電壓過沖峰值近乎為電源電壓的兩倍，同時引起相應比例的電流過沖。

10電荷泵啟動過程存在一過性的電壓過應力和電流過應力；如何處理其過應力過程和實現(xiàn)短路保護是產(chǎn)品實用化的 關鍵，有不同的設計實現(xiàn)、不在此討論。

11子圖（b）和子圖（c）并非實用電路，實用電路通過交叉連接可以減少需要的開關數(shù)量，如專利CN110492732B 和CN115664210A 所表達結構。

12早在2000年Lockheed Martin申請并公開了相應專利，US006121751A。

13可參考圣邦微電子網(wǎng)站資料《電池測量和均衡解決方案》。

14LTC在2018年推出了混合結構降壓產(chǎn)品LTC7821，TI公司也推出三段式混合降壓的充電產(chǎn)品。三段混合降壓的 結構分析介紹可見Jeff Falin和Alvare Aguilar的文章《Maximize power density with three-level buck-switching chargers》，可在TI網(wǎng)站搜尋。圖6子圖（b）和（c）所示結構與LTC7821、TI的三段式，相互為不同方案；另有 諧振改進專利CN110266184B/US10873260B2和CN 110393744B。另近年多有PEAC/IEEE論文討論分析了不同電 荷泵變形的混合降壓結構用于高變比降壓。

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