做控制系統的工程師很可能用到過RS-232接口，這種接口在傳遞控制信號的時候會用到負電壓。但是，有很多系統的電源系統都只提供正電壓輸出，5V常常是這樣的系統的標準配備，這時候有很多人會選擇一款很古老的-5V電壓發生器——ICL7660，它能把+5V電壓轉換為-5V電壓，下圖是顯示了該IC內部部分細節的原理框圖：

它在工作的時候，RC振蕩器產生的頻率為f的振蕩信號經過二分頻以后變成5kHz，再經電平轉換器去控制模擬開關SW1~4。當SW1/2導通時，SW3/4截止，C1與VDD和GND連接并被充電。當SW1/2截止時，SW3/4導通，C1+端與GND連接，C1-端與VO連接，因而C1與C2并聯，C1上的電荷轉移至C2形成負壓輸出。由于這個過程是反復進行的，C2上形成的輸出電壓就和VDD上的電壓相等并且極性相反，當VDD電壓為+5V時，VO電壓就是-5V了。

ICL7660的輸出電壓VO是會隨著VDD電壓的變化而變化的，所以，如果應用需要的電壓是固定的，在應用時就還需要增加一個穩壓環節，或者使VDD電壓是固定的，或者使最后的輸出電壓是固定的。

立锜以電荷泵為核心的器件有很多，它們大多以鋰離子電池驅動LED為應用目標進行設計，所以在設計上有自己獨特的性能。

RT9361A和RT9361B是比較老的器件，它們的輸出電壓分別為固定的5V和4.5V，輸入電壓則可在2.8V~輸出電壓之間，其典型的應用電路如下：

圖示負載指出了非常明確的應用方向——驅動LED，但實際上你要把它們作為穩壓器來使用是完全沒有問題的。

RT9361的內部電路框圖如下圖所示：

其中用MOSFET來實現的開關就直接用開關來替代了，簡單而明確，你不用去考慮驅動信號的邏輯了。其中還有輸出電壓反饋回來的信號用于調節泵電容的充電電流，所以我們可以相信這種電路對輸入能量是有調節的，可以避免沒有調節的電路可能存在的一些附帶問題。由于工作頻率高達1MHz，電路需要使用的泵電容也可以比較小。

驅動LED的時候需要把鋰離子電池的電壓提高，這是由于白光LED的工作電壓范圍比較寬的緣故，而這個范圍又和鋰離子電池的工作電壓范圍出現了相互的覆蓋，實在是不得已而為之。RT9361在實現這一點的時候是直接采用升壓的辦法，但像下圖所示的電路就不再是升壓了：

在這里，LED的陽極是直接和電池供電端VBAT/芯片供電端VIN連接在一起的，這里是電路中的電壓最高點。要想在所有情況下都能使LED發出正常的光，當VBAT很低時，經過LED以后的LED1~6端子處的電壓就會低于GND的電壓，所以，電路中就需要有負電源存在，而這個負電源就是由電荷泵電路生成的，上圖中的CFLY1和CFLY2就是這個電荷泵電路的泵電容，而電路中的VOUT端子則是這個泵電路的輸出。看看下圖就會更清楚了：

由圖可見，VIN和VOUT之間是一個電荷泵電路，其輸出VOUT連接到LED1~6所連接的電流源（Current Source）的下面，成為該電路的負偏置電源。這樣我們就知道在VIN—LED—電流源—VOUT之間的電壓降是VIN – VOUT，由于VOUT為負，所以即使在VIN比較低時，電流源也有足夠的空間進行電流調節，可以確保輸出電流的穩定。

在這里，電荷泵電路的輸入電壓是有很大的變化范圍的，再進行簡單的電壓極性反轉就會生成單一的VIN - VOUT = 2 VIN，這樣就會在輸入電壓較高時形成比較大的能量浪費，因此這里的電荷泵電路具有x1、x1.5和x2等多種工作模式。當它處于x1工作模式時，VOUT = 0V，這也意味著電荷泵電路沒有進行電壓變換工作，因而VIN – VOUT = VIN。在x2模式下，VOUT = - VIN，因而 VIN- VOUT = 2 VIN，這就是我們前面介紹的反極性電源的模式。比較特別的是x1.5模式，此時，VIN – VOUT = 1.5 VIN，即 VOUT = - 0.5 VIN，電荷泵的輸出電壓只有輸入電壓的一半，這是如何實現的呢？下面的圖形示意出其工作原理：

在狀態1時，泵電容C1和C2串聯，電池電壓VIN對其進行充電。由于C1=C2，C1和C2的最終電壓都等于VIN的一半。

在狀態2時，C1、C2與Cout并聯。由于Cout要為負載供電，其電壓將略低于0.5VIN，C1/2的電壓比其略高，所以C1/2中的電荷將灌入Cout并使其電壓提升至接近0.5VIN。

狀態1和2反復進行，則Cout中的電壓就總是處于接近0.5VIN的狀態，從而使得VOUT=-0.5VIN。這個電壓再和VIN-GND串聯為負載供電，最后得到的輸出電壓就是1.5VIN了，這就是x1.5模式的工作方式。

將若干個開關和電容C1/2、Cout與VIN、VOUT結合通過判斷輸入電壓與輸出電壓之間的關系，控制器就會知道要在什么情況下對那些開關進行控制，使得泵電路分別工作在x1、x1.5或x2模式下，輸出的穩定就能得到保障了。

作為工程師，我們的重點是要了解工作原理，然后結合一定的推理，我們就可以在不同的狀況下知道電路是如何構建的，他們又是如何工作的，再看到新電路的時候，我們就不會找不著方向了。

說到這里，我想起來一款帶有限流限壓功能的熱插拔保護IC，它的型號是RT1720，其應用電路大多數情況下是這樣的：

這個電路可以在5V~80V輸入下工作，其輸出電壓是受到限制的：當輸入電壓低于輸出電壓設定值時，MOSFET Q1是直接導通的，VOUT基本上就和VIN相等；當輸入電壓高于設定的輸出電壓設定值時，MOSFET Q1將進入調節狀態使輸出電壓等于設定電壓。此電路對于電流的控制也與此類似，其目的就是要確保負載的安全，這在本質安全型應用中是非常重要的，對于存在LC振蕩的長線傳輸場合也有巨大價值，它對防范電源接反可能帶來的災害也有保護作用。

從此電路可以看到，其中所用的MOSFET是N型的，而我們都知道N型MOSFET的驅動電壓是需要高于其源極電壓的，所以，我們可以知道這顆IC里是有升壓電路的，否則就無法對MOSFET進行有效地控制。這個升壓電路是如何實現的呢？它所用的正是電荷泵電路，只是這個電荷泵電路是集成在IC內部的，即便是泵電容也被集成了，不需要再外加實現。

另外，這個電荷泵電路在實現的時候還需要考慮安全性問題，這是它與我們前面介紹的電路不一樣的地方。