电荷泵是一种电路拓扑结构，可用于提升电源电压或提供互补（负）电源。“泵”这一术语的适用性在于数字电路被用来对“浮动”电容进行推拉操作。通过一系列无源和有源开关，电容器中储存的能量被从一个位置转移到另一个位置。在某种程度上，这类似于通过泵手柄的激活（数字泵送动作）和单向阀（二极管）来控制水流。这是一个绝佳的学习机会，涉及基于状态的电路，有助于更好地理解更复杂的电路，如升压和降压稳压器。最终的电路和原理图如图1和图2所示。
本文介绍的电荷泵设计用于为N沟道MOSFET提供栅极电压。我们假设一个24 VDC系统，MOSFET采用源极跟随器配置。所需电压约为24 VDC电源轨以上10至15 VDC，使MOSFET能够被驱动进入低电阻状态，从而完全激活相关负载。此应用不需要持续电流，因为MOSFET是电压驱动器件。然而，它确实需要一个电流脉冲来为栅极至沟道电容充电。这一能量脉冲完全由100 uF的C6电容提供。
相关的逐脉冲能量计算将留待日后进行。相反，我们将通过稳态分析来表征电荷泵的功率。基于这些数据，我们可以准确地将此电荷泵表征为34 VDC电源，电流限制为4 mA。虽然这看起来微不足道，但它足以向MOSFET驱动器供电。
技术提示 ：自举拓扑是一种密切相关的电路。电荷泵和自举电路均可用于为N沟道MOSFET提供“高于电源轨”的电压，以正确开启其栅极。区别在于MOSFET的工作方式。当MOSFET被PWM信号反复开关时，优选自举电路。当MOSFET需要长时间保持开启时，优选电荷泵。在这两种情况下，都存在一个开关属性，用于为“浮动电容”充电。可以说自举电路是一种自启动的电荷泵。
图 1 ：电荷泵从24 VDC电源提供34 VDC的图片。
图 2 ：电荷泵示意图，采用555定时器集成电路提供24+11伏直流电，供MOSFET驱动器使用（未显示）。
方波发生器
电荷泵的数字部分由经典的无稳态模式555定时器构成。555定时器由15伏直流稳压器供电。这款7815线性稳压器与常见的7805属于同一系列。这与数据手册中555定时器18伏直流绝对最大电压完美匹配。
电荷泵的占空比和频率无需精确设定，但文末会给出优化建议以提升性能。电阻电容值选取了常见的1千欧、10千欧和0.1微法规格以简化设计。最终产生的700赫兹信号占空比约65%，导通时间大于关断时间。可通过DigiKey的555定时器计算器查看结果，如图3所示。
图 3 ：DigiKey 555定时器计算器界面，显示本文采用的参数值。
飞跨电容
电荷泵的核心是电容C5。注意C5通过150欧电阻R3连接至555定时器输出端。通过分析555定时器的离散工作状态最能理解这个"飞跨"电容的工作原理：
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关断状态 ：假设C5初始未充电，且555定时器处于关断状态。此时C5开始充电。充电路径包含24伏电源、D1、C5、R3及555定时器内部引脚3到地的晶体管。由于555定时器和1N4148二极管均有200毫安限流，R3将电流限制在200毫安。这个150欧阻值可能看似有误。未采用预期的120欧电阻，是基于24伏电源轨可能承受30伏极端情况的考量。需注意电容电流并非恒定，而是遵循RC电路的指数曲线。
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2.2微法电容与150欧电阻的时间常数为0.33毫秒，比555定时器0.67毫秒的低电平时间快2倍。最终飞跨电容C3充电至约20伏直流。
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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 -
导通状态 ：555输出切换为高电平。飞跨电容(C5)的下端被拉升至555定时器的15伏电源轨。由于该电容已充电至约20伏直流电，其正极电压现为15+20伏直流电。这使得D1反偏，D2正偏。电流此时从飞跨电容流向C6，并由R3限制电流大小。
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重复 说明：该过程持续循环，飞跨电容不断进行充放电。顾名思义，555定时器的数字信号将能量从一处泵送至另一处。图4所示的C6两端启动电压波形最能体现这一过程。图5展示的稳态波形同样值得关注，其中蓝色波形显示纹波情况。本实例中，电荷泵为10千欧负载供电。
理想系统中输出电压可近似表示为：
V_{终值} = 24 + (15 – 0.7 – 0.7) \approx 38 \, 伏直流
式中0.7伏直流电为D1和D2两端的压降。
这确实是空载输出电压。但电路加载后会迅速降压：10千欧负载时降至34伏直流电，5千欧负载时降至32伏直流电。
技术提示 ：必须考虑初始启动条件。该电路的挑战在于C6容值较大。注意电容将在通电瞬间通过D1和D2充电。这对小信号二极管而言不可接受，因其无法承受高浪涌电流。为此增设1N4001 D3二极管提供初始电容充电。该二极管可承受数十安培的非重复峰值电流而不损坏。
图 4 ：驱动10千欧负载时，输出电容C6两端的启动电压波形。
图 5 ： C6 纹波波形（通道2蓝色）与555芯片第3脚驱动波形（通道1橙色）。
下一步
此电路未进行优化。该电路设计便于快速组装。作为教学设计挑战，您可以：
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测量不同负载条件下的效率
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采用肖特基二极管替代通用1N4148二极管
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优化频率、占空比和电容器参数
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移除线性稳压器
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设计电路充满电时关闭电荷泵的方法
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识别并抑制电路产生的电磁干扰源
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用微控制器替代555定时器，需具备监测调节功能以实现最优性能（包括占空比调节能力）
附注。这是集成电荷泵的电路：MOSFET有源钳位——继电器并联续流二极管的替代方案