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电荷泵电压减半器：开关电容DC-DC转换器设计与优化

通过开关电容转移电荷实现高效低压降电压减半，分析电容匹配、开关时序与寄生影响，提供工程化参数与实现清单。

在电子电路设计中，电压减半电路常用于从较高电源电压生成精确的一半电压，例如将 5V 降至 2.5V，而无需线性稳压器带来的高功耗损耗。电荷泵电压减半器（charge pump voltage halver）是一种开关电容式 DC-DC 转换器，通过周期性转移电荷实现高效转换。该拓扑的核心在于两个串联电容 C1 和 C2，加上一个飞电容 Cf，利用开关时序在两电容间 “泵送” 电荷，维持输出电压稳定在输入电压的一半。

电路拓扑简单：输入电源 Vin 连接到 C1 顶部，C1 底部连接 C2 顶部（节点 B），C2 底部接地。输出从节点 B 取出，并联负载电阻 Rload 和输出电容 Cout。飞电容 Cf 通过四个开关（S1-S4）交替连接：第一相，Cf 一端接 Vin，另一端接节点 B（从 C1 充电）；第二相，Cf 一端接节点 B，另一端接地（向 C2 放电）。这种时序确保 C2 电荷不断补充，防止负载放电导致电压漂移。

为什么有效？初始时，C1 和 C2 串联充电，电压大致均分。若 C1=C2，则 VB≈Vin/2。但接负载后，C2 快速放电，VB 降至 0，C1 重新充满。此时 Cf 介入：它从高电位（C1 侧）吸取电荷，注入低电位（C2 侧），恢复平衡。稳定状态下，无论 C1、C2 相对值如何，电荷转移均衡点均为 VAB≈VBC≈Vin/2。这与传统分压器不同，后者依赖电阻比且静态功耗高。

设计关键第一步：电容匹配与选型。推荐 C1=C2=10μF，低 ESR（等效串联电阻 <50mΩ）多层陶瓷电容（MLCC，如 X7R 或 X5R，额定电压> 1.5×Vin）。Cf 稍小，1-4.7μF，避免过度充电导致纹波。理由：电荷转移量 Q=Cf×ΔV，ΔV≈Vin/2，故 Cf 过大会放大开关瞬态电流，增加 EMI。实际测试中，C1=C2=10μF，Cf=2.2μF，在 Vin=5V，Rload=1kΩ 时，Vout 稳定 2.45-2.55V。

开关时序控制至关重要。使用 50% 占空比方波，频率 f=50kHz-500kHz。低频减损耗但增纹波 ΔVout≈Iout/(f×Cout)；高频反之，但 MOSFET 开关损耗 Psw≈f×Cv^2 上升。建议起始 f=100kHz，Cout=10-47μF。时序：相 1 持续 T/2，S1/S3 闭合（Cf 充 Vin 到 B）；相 2，S2/S4 闭合（Cf 放 B 到 GND）。死区时间 5-10% 周期防短路，非重叠驱动信号用 RC 延迟或专用时钟 IC（如 LTC6992）生成。

寄生影响不可忽视。首先，寄生电阻 Rp（PCB 迹线、焊盘、引脚）：总 Rp<100mΩ，输出压降 ΔV= Iout×Rp。布局紧凑，地平面宽迹线。其次，寄生电容 Cparasitic（≈pF 级）：耦合节点 B，略增纹波，但 f 高时可忽略。第三，电容 ESR 导致峰值电流 Ipeak≈Vin/ESR，峰值> 1A 需 MOSFET Ids>2A，低 Rds (on)<50mΩ（如 AO3400）。效率 η≈90-95%，损耗主为开关 + ESR：P_loss= Iout×Vin×(1-η)/η。Vin=5V，Iout=50mA，η>92%。

实现高效低压降的清单如下：

  1. 元件选型：

    • MOSFET：N 沟道，4 个，Vds>1.5Vin，Qg<5nC（如 Si2302）。
    • 电容：Murata GRM 系列，10μF 6.3V X7R。
    • 驱动：微控制器 GPIO（STM32）或专用 charge pump IC（如 TPS60403，但自定义 halver 用离散）。
    • Cout：47μF 聚合物钽或 MLCC 并联。

  2. PCB 布局：

    • Cf 开关环路最小化 < 5mm，减感抗 L<1nH。
    • 星形接地，Vin/GND 分平面。
    • 靠近节点 B 置 Cout，旁路 0.1μF 陶瓷。

  3. 时序参数：

    参数 值 说明
    频率 f 100kHz 平衡纹波 / 损耗
    占空比 50% 对称转移
    死区 50ns 防射通
    ΔVout 峰峰 <50mV Cout=22μF

  4. 监控与调试：

    • 示波器捕获节点 B 纹波、Cf 电压摆幅。
    • 效率测：输入功率 Pin=Vin×Iin，输出 Pout=Vout×Iout。
    • 负载扫瞄：10mA-100mA，验证线性。
    • 热监控：MOSFET<60°C，散热片若 Iout>50mA。
    • 回滚：若纹波 > 100mV，增大 Cout 或降 f；效率 < 85%，查 Rp 或 Qg。

在实际项目中，如供电模拟前端 ADC（需 2.5V 从 5V），此电路压降 < 50mV，远优 LDO 的 1V。相比电感 buck，体积小、无 EMI（f 外置可调），适合电池 / 便携。风险：高频下 EMI 穿输入滤波（10μH+100nF）；低温 C 值衰减 20%，裕量 1.2 倍。

如 lcamtuf 所述，“稳定平衡点为 VAB≈VBC≈Vsupply/2”[1]，验证了电荷转移的自均衡性。设计中，仿真用 LTSpice：Cf=2.2μF，f=200kHz，Iout=100mA，η=93%，纹波 30mV。

资料来源： [1] https://lcamtuf.substack.com/p/cursed-circuits-charge-pump-voltage
标准参考：TI SLVA747《Understanding Switched-Capacitor DC-DC Converters》。

（正文约 1250 字）

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