电感饱和电流与电荷泵

p103（4.2 分钟）、p104（7.3 分钟）、p105（3.2 分钟）

电感的饱和电流#

核心规则#

开关电源电感的饱和电流一定要大于电路中理论电流的最大值。

余量规则：

1
算得电感峰值电流为 10A
2
→ 饱和电流至少取 1.2 倍（即 12A）
3
→ 取 1.5 倍更稳

选小了会怎样：电感饱和#

电感一旦饱和，就不能再当电感看待，只能当一根导线。

原因：

1
电感抑制电流的能力来自公式 V = L × di/dt
2
改写为：Δi/Δt = V / L
3

4
只要 V 不变、L 不变，电流变化率就是一定的
5
—— 这是未饱和时的正常工作状态
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7
饱和后这种「缓慢变化」的抑制效果失效
8
→ 电流「唰」一下上升得非常快

后果#

1
开关很容易被烧掉
2
电感发热非常严重
3
电源有可能被拉死

具体算例#

1
电感两端加 5V、电感量 10µH
2
→ 电流变化率 = 5V / 10µH = 0.5A/µs

仿真验证：测 1µs 时间内的变化量为 500mV = 0.5V，对应 0.5A（用 1Ω 采样电阻观察）。

选电感电流时，必须大于整个开关电源工作过程中的最大工作电流。

为什么饱和会烧开关#

饱和后电感变成导线 → 电流不受限制地暴涨 → 开关管要承受极大的电流。

而且饱和是「突然发生」的，没有缓冲，所以破坏性很强。

电荷泵升压#

特点：既可以升压，也可以产生负压。

目标：5V 输入 → 10V 输出。

电路与过程#

三个开关 A、B、C + 一个飞跨电容。

1
① 闭合 A、B，给电容充电 → 电容电压充到 5V
2
② 断开 A、B
3
③ 闭合 C，把电容底端接到 5V 电源
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④ 以电源地为参考点：
5
   底端变成 5V
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   根据「电容两端电压不能突变」，顶端就变成 5 + 5 = 10V
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⑤ 此时负载接在顶端到 GND 之间即可得到 10V

这就是「自举」的本质：把电容当电池，再把电池的负极抬到电源电压上，顶端就变成了两倍。

问题：这个 10V 不能直接给负载用#

1
电容需要持续充电
2
充电时要断开 C、闭合 A/B
3
→ 此时负载电压会从 10V 掉到 5V，充满后才回到 10V

负载工作电压要求 10V，电源充电期间电压往下掉就不正常了，也不可能让负载「等充好电再工作」。

解决方案：加一个二极管 + 一个输出电容#

这个二极管的作用与前面 BOOST 的续流二极管很相似。

1
开关闭合给电容充电到 5V
2
→ 断开 A/B、闭合 C → 得到 10V
3
→ 电源通过二极管给输出电容充电
4
→ 经多个周期，输出每个周期高一点，最终升到约 10V

存在二极管压降，实际可能升到 9.7V 左右。

带载后电容电压会往下掉一点点，只要储能速度足够快，每个开关周期都能补一部分能量，形成「掉一点—很快补上来」的循环。

仿真#

1
去掉电感，只加几个开关
2
飞跨电容加大到 100µF；负载 100Ω

1
不加二极管直接带载：输出能到 10V，但充电时明显往下掉
2
                    （0V → 5V → 10V → 慢慢下降 → 再充电回到 5V → 再释放到 10V）
3
加二极管 + 输出电容：反复开关几次，电压基本冲到 9V 多；
4
                    持续开关时输出约等于 9V 左右并不断跳变 ✓

这个功能叫自举升压。

电荷泵产生负压#

目标：用同样的电荷泵结构产生负压。

电路与过程（5V 电源，开关 A、B、C + 电容）#

1
① 闭合 A、B 给电容充电
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   → 电容充到「上正下负」的 5V（上极板比下极板高 5V）
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② 断开 A、B
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③ 与升压的区别：
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   升压是把 C 接到电容底端
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   产生负压则是把开关 C 接到电容顶端、另一端接 GND
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④ C 一闭合，电容顶端被拉到 0V
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   → 顶端比底端高 5V
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   → 底端变成 −5V
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⑤ 由此得到负压输出

同样不能直接给负载供电#

（开关切换过程中电压会变化）

解决方案#

加一个二极管 + 一个电容，再由它们给负载供电，得到约 −5V 的电压。

仿真#

1
把开关接法改成上述形式、二极管方向反过来、GND 移到上面
2
→ 切换开关后输出出现负压
3
→ 反复切换可得到约 −4.x V

用电荷泵可以很容易地实现负压。

升压 vs 负压对照#

	升压	产生负压
充电后电容	上正下负 5V	上正下负 5V
开关 C 接到	电容底端 → 底端接电源	电容顶端 → 顶端接 GND
结果	顶端变成 +10V	底端变成 −5V
后级	二极管 + 输出电容	二极管 + 输出电容（方向相反）
输出	约 9.x V（有二极管压降）	约 −4.x V

记忆要点：

1
把电容的「底」抬到电源上  →  顶变成两倍  →  升压
2
把电容的「顶」按到地上    →  底变成负    →  负压

电荷泵的特点#

1
优点：不需要电感；电路简单、体积小；可以升压也可以产生负压；成本低
2
缺点：输出电流小；有二极管压降损失；输出纹波较大；效率一般

典型用途：MOS 管自举驱动、运放负电源、小电流升压（如 3.3V → 5V 给 LCD 偏压）。

三种升压/降压方案对比#

方案	器件	效率	输出电流	能否出负压
BUCK	电感 + 二极管 + 电容	高	大	否
BOOST	电感 + 二极管 + 电容	高	大	否
电荷泵	电容 + 二极管	中	小	可以

坑#

电感饱和电流必须大于最大工作电流，取 1.2~1.5 倍余量。
饱和后电感变导线，电流暴涨会烧开关、烧电感、拉死电源。
电荷泵输出必须加二极管 + 输出电容，否则负载会在充电期间掉压；而且有二极管压降损失，实际输出比理论低 0.3~0.7V。
升压和负压的区别只在开关 C 接哪一端，接法记反了结果完全不同。
电荷泵只能带小电流，大电流要用电感方案。