充電幫浦（Charge Pump，或稱「電荷泵」、「電荷幫浦」）是一種電路拓撲，可用於增加電源電壓或提供補充（負）源。術語「泵」適用於數位電路用於推拉飛馳電容（flying capacitor）。使用一系列被動和主動開關將儲存在電容器中的能量從一個地方轉移到另一個地方。在某些方面，這就像透過啟動幫浦手柄（數位幫浦動作）以及單向閥（二極體）來控制流量來泵水。這是一個涉及基於狀態的電路的絕佳學習機會，可以幫助您更好地了解升壓和降壓穩壓器等更複雜的電路。由此產生的電路和原理圖如圖 1 和圖 2 所示。
本文介紹的充電幫浦旨在為 N 通道 MOSFET 提供閘極電壓。我們假設一個 24VDC 系統，其中 MOSFET 採用源極跟隨器配置。所需電壓比 24VDC 軌高出約 10 至 15VDC，從而允許將 MOSFET 驅動至低電阻狀態，從而完全啟動相關負載。此應用不需要持續電流，因為 MOSFET 是電壓驅動元件。然而，它確實需要電流脈衝來對閘極至通道電容進行充電。此能量脈衝完全由 100uF C6 電容器提供。
日後有機會討論相關的逐脈衝能量計算。今次，我們將使用穩態分析來表徵充電幫浦功率。根據這些數據，我們可以正確地將充電幫浦描述為具有 4mA 電流限制的 34VDC 電源。雖然這看起來無關緊要，但它足以為 MOSFET 驅動器提供電源。
技術提示：自舉拓樸是一個密切相關的電路。充電幫浦和自舉程序均可用於為 N 通道 MOSFET 提供「高於軌」的電壓，以正確導通其閘極。差異與 MOSFET 的工作方式有關。當 MOSFET 被 PWM 訊號驅動時反覆導通和截止時，優選自舉電路。當 MOSFET 保持導通時間較長時，首選電荷泵。在這兩種情況下，都有一個為飛馳電容充電的開關屬性。我們可以說自舉是一個自吸充電幫浦。
圖 1：從 24VDC 電源供應器提供 34VDC 的充電幫浦圖片。
圖 2：充電幫浦原理圖，採用 555 計時器 IC，提供 24 + 11VDC 作 MOSFET 驅動（未顯示）
方波發生器
充電幫浦的數位部分是在非穩定配置下運作的典型 555 計時器。 555 計時器的電源由 15VDC 穩壓器提供。此 7815 線性穩壓器與流行的 7805 屬於同一系列。這與規格書中所述的 555 計時器的 18VDC 絕對最大電壓非常匹配。
充電幫浦的佔空比和頻率並不重要，儘管結果肯定可以按照本文末尾的建議進行改進。出於方便考慮，選擇電阻器和電容器，常用值為 1kohm、10kohm 和 0.1uF。由此產生的 700Hz 訊號的佔空比約為 65%，且開啟時間比關閉時間長。使用 DigiKey 的 線上 555 計時器換算器，您可能會看到如圖 3 所示的結果。
圖 3：DigiKey 的 555 計時器換算器顯示了本文中使用的值。
飛馳電容
充電幫浦的核心是電容器 C5。觀察 C5 透過 150ohm 電阻器 R3 連接到 555 定時器的輸出。透過考慮 555 計時器的離散狀態可以最好地理解這種飛馳電容的操作：
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關閉狀態：假設 C5 最初未充電，且 555 計時器處於關閉狀態。這將導致 C5 充電。充電路徑包括 24VDC 電源、D1、C5、R3 和 555 的內部 pin-3 接地電晶體。由於 555 計時器和 1N4148 二極體都有 200mA 的限制，因此 R3 將電流限制為 200mA。該 150ohm 值可能看起來不正確。我們不使用預期的 120ohm 電阻，而是假設最壞情況下 30VDC 應用於 24VDC 電源軌。另請注意，與電容器相關的電流不是恆定的，而是由 RC 電路的指數曲線控制。
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2.2uF 電容器和 150ohm 電阻器的時間常數為 0.33ms，比 555 計時器的 0.67ms 低電平時間快 2 倍。結果是飛馳電容 C3 充電至大約 20VDC。
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V_C(t) = V_{Final}(1-e^{-\tau/RC} )= (24-0.7)(1-e^{-0.67/0.33}) \approx 20 \, VDC -
開啟狀態：555 輸出現在切換到高狀態。飛馳電容（C5）的下軸臂被上拉至 555 計時器的 15VDC 電壓軌。由於該電容器已充電至約 20VDC，因此電容器正極端子上的電壓現在為 15 + 20VDC。這對 D1 施加反向偏壓，對 D2 施加正向偏壓。電流現在從飛馳電容流向 C6，電流受到 R3 的限制。
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重複：不斷重複這個過程，飛馳電容不斷地充電和放電。顧名思義，555 計時器的數位訊號將能量從一個位置泵送到另一個位置。這個過程在啟動波形中得到了最好的說明，該波形顯示了在C6 上測得的電壓，如圖 4 所示。圖 5 所示的穩態波形也很有趣，藍色波形顯示了漣波。在此範例中，充電幫浦為 10kohm 負載供電。
在理想系統中，輸出電壓可近似為：
V_{Final} = 24 + (15 – 0.7 – 0.7) \approx 38 \, VDC
其中 0.7VDC 值與 D1 和 D2 上的電壓降有關。
這確實是空載輸出電壓。然而，電路很快就會負載下降，在 10kohm 負載時降至 34VDC，在 5kohm 負載時降至 32VDC。
技術提示：必須考慮初始啟動條件。此電路面臨的一個挑戰是 C6 的值較大。請注意，一旦通電，電容器將透過 D1 和 D2 充電。對於這些小訊號二極體來說，這是不可接受的情況，因為它們無法處理高突波電流。為了緩解這種情況，添加了 1N4001 D3 二極體來提供初始電容器充電。此二極體可以處理數 10A 的非重複峰值電流而不會損壞。
圖 4：啟動波形顯示驅動 10kohm 負載時輸出電容器 C6 兩端所產生的電壓。
圖 5：C6（通道 2 藍色）和 555 腳位 3 驅動波形（通道 1 橘色）上的漣波波形。
下一步
此電路並未最佳化。它被建構為一個快速且易於組裝的電路。作為教育設計挑戰，您可以：
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測量各種負載條件下的效率
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使用肖特基二極體取代通用 1N4148 二極體
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優化頻率、佔空比和電容器
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消除線性穩壓器
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設計一種在電路充滿電時關閉充電幫浦的方法
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辨識源並減輕電路產生的 EMI
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用微控制器取代 555 計時器，包括監控和調整以獲得最佳效能的能力，包括更改佔空比的能力
附：以下是包含充電幫浦的電路：The MOSFET Active Clamp: The Case Against a Relay’s Parallel Flyback Diode