在需要負電源軌的類比電路設計中，Charge Pump（電荷幫浦）因無需使用電感而成為簡潔且高效率的解決方案。本文以 Texas Instruments TPS60403 為例，說明負電壓 Charge Pump 的基本運作原理與關鍵元件配置。
什麼是 Charge Pump 電荷幫浦 ？
Charge Pump 是一種 無電感（Inductor-less）的 DC-DC 電源轉換拓撲，透過電容器反覆充電與放電來進行電荷傳輸，進而完成電壓轉換。與傳統 Buck、Boost 或 Buck-Boost 架構不同，Charge Pump 不需要使用電感作為能量儲存元件。
以 TPS60403 為例，其內部採用反相切換電容（Inverting Switched-Capacitor）架構，可將正輸入電壓轉換為相對應的負輸出電壓。
圖 1. TPS60403 反相 Charge Pump 等效電路
核心元件：Flying Capacitor 飛跨電容
Flying Capacitor（Cfly）是 Charge Pump 電路中最重要的元件，也是電荷傳輸的核心媒介。
在系統運作期間，IC 於兩個切換週期之間持續對 Flying Capacitor 進行充電與反向放電，使輸出端產生負電壓。整個過程完全透過電容進行能量轉移，因此不需要：
- 功率電感（Power Inductor）
- 肖特基續流二極體（Schottky Freewheeling Diode）
TPS60400 系列屬於 TI 的負電壓切換電容解決方案，可從正輸入電壓產生等幅度的負輸出電壓，非常適合作為低電流類比負載的負電源供應，例如：
- 運算放大器（Op Amp）
- 數位類比轉換器（DAC）
- 電壓參考源（Voltage Reference）
圖 2. TPS60400 Charge Pump 運作架構 （圖片來源：Texas Instruments）
三個關鍵電容的功能與作用
為獲得最佳效能，三顆電容均建議採用低 ESR 的 X7R 陶瓷電容。
1. 輸入電容 CI（IN 至 GND，1 µF）
輸入電容主要負責：
- 濾除晶片切換動作產生的高頻雜訊
- 穩定輸入電源
- 降低供電線路阻抗帶來的影響
當輸入端使用較長連接線時，此電容更是不可或缺。
2. Flying Capacitor（Cfly，Pin 5 ↔ Pin 3，1 µF）
Flying Capacitor 是 Charge Pump 的核心能量傳輸元件，主要功能包括：
- 在兩個切換週期之間傳遞電荷
- 完成反相轉換
- 作為產生負電壓的主要儲能元件
3. 輸出電容 CO（OUT 至 GND，1 µF）
輸出電容主要用於：
- 降低輸出紋波（Output Ripple）
- 提供負載瞬時電流
- 穩定負電壓輸出
一般而言，較大的輸出電容有助於進一步降低輸出紋波。
Charge Pump 電路的主要優勢
1. 無電感設計，EMI 極低
由於電路中沒有磁性元件，因此可有效降低電磁干擾（EMI），特別適合：
- RF 射頻系統
- 高精度類比前端電路
- 低雜訊應用環境
2. 外圍元件數量少
整個系統僅需：
- 1 顆輸入電容
- 1 顆 Flying Capacitor
- 1 顆輸出電容
即可完成負電壓轉換，大幅縮減 PCB 面積與設計複雜度。
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相關產品：TPS60403
TPS60403 為非穩壓型（Unregulated）Charge Pump 負電壓反相器，具備以下特性：
- 輸入電壓範圍：1.6 V 至 5.5 V
- 最大負輸出電流：60 mA
- 僅需三顆外部電容
- 小型化設計
- 適用於運算放大器與 LCD 面板等低電流偏壓電源應用