一、引言

  在集成电路中，考虑到结构、成本、 EMI 风险等因素，常采用倍压（Charge Pump）电路而不使用带有电感的Boost
（电感升压）。
  倍压优势主要体现在：1.无电感：结构简单、低成本、磁件缺失带来更低 EMI 风险（尤其对敏感模拟/射频或空间紧张场景友好）。2.适合小电流高压辅助电源（几 mA 级），例如偏置、电压门限、栅极驱动、触发电路等。
  倍压的代价/边界有：输出等效电阻高：1.负载一大，Vout 会显著下垂；输出能力主要由 C、f、开关电阻、二极管压降决定。
2.效率不如优秀的 Boost（尤其当压差大、负载电流上来时）。
  电感升压电路用电感存能再释放，理想关系近似由占空比决定（典型推导形式）。优点是更强的输出电流能力、更可控的调节；缺点是电感、EMI、环路设计复杂度更高。

二、工作原理

  下图为基于CD4011逻辑门芯片的倍压电路。该电路主要有三部分：

  CD4011 的基本功能：每一路都是两输入与非门，任意一路门的逻辑是：$$Y=\overline{A\cdot B}$$  真值表（任一路 nA、nB → nY）：LL→H，LH→H，HL→H，HH→L。即：只要 A 或 B 有一个为 0，输出 Y=1；只有 A=1 且 B=1，输出 Y=0。下图为功能框图及原理图。
                

（1）按功能分块

（A）供电与数字逻辑

  1.+15V：给 CD4011（U5）供电；C16 是去耦。
  2.CD4011 的输入阈值在 VDD=15V 时，保证逻辑识别需要 VIL ≤ 4V、VIH ≥ 11V。

（B）使能门控（KZ → Q3 → U5 Y3 → A1）

  1.JB3 通过 R16 驱动 Q3（BC817）；R17 为基极下拉（抗悬空）。
  2.R18 把 CTRL 节点上拉到 +15V；Q3 导通时把 CTRL 拉到地。
  3.U5 的 A3、B3 同点接 CTRL，构成“自反相”用法：$$Y_3=\mathrm{NAND}(A_3,B_3)=\mathrm{NAND}(\mathrm{CTRL},\mathrm{CTRL})$$
  4.15V 方波（U5 Gate1 为核心）：电路里 Gate1（A1/B1/Y1）负责产生“SW 方波”（0~15V），利用RC自激振荡产生 。

（C）倍压电荷泵（C14、C15、D5、D6）

  这块是核心：把 15 V 的方波“搬运电荷”，堆到 30 V。
  1.C14（0.1 µF）：飞跨电容（flying cap），到约 15 V，在另一相位叠加到输出节点，实现“+15 再加 +15”。
   2.D5、D6（1N4148）：D5：用于“预充/钳位/整流”某一相位的电荷转移（你这里等价于电荷泵的开关/二极管之一）；D6：把泵节点的峰值整流到 C15，形成稳定的 +30 V 储能。
  3.C15：输出储能电容（保持 +30V）。
  4.R54（68 k）：输出泄放/均压（掉电后放电，防止悬浮高压长期残留；也为启动提供确定初值）。
  理想倍压的电压关系（无负载、二极管理想）：$$V_{\mathrm{OUT}}\approx 2V_{\mathrm{IN}}$$
  在实际工程中会变成：$$V_{\mathrm{OUT}}\approx 2V_{\mathrm{IN}}-V_{D5}-V_{D6}-I_{\mathrm{OUT}}\cdot R_O$$
  电荷泵“输出电压低于 2VI”的事实，以及$V_O=2V_I-I_O{R}_O$。
  其中，$R_O$可以理解为电荷泵的等效输出电阻，跟 开关路径电阻、二极管压降/动态电阻、飞跨电容 C、开关频率 f有关。
  输出纹波（近似）：$$\Delta V_{\mathrm{OUT},pp}\approx \frac{I_{\mathrm{OUT}}}{f\cdot C_{\mathrm{OUT}}}$$
关键工程点：陶瓷电容在高 DC 偏置下有效电容会显著下降，电荷泵对此非常敏感（飞跨电容和输出电容都会“缩水”）。所以“同样是 0.1 µF”，在 15~30 V 偏置下可能只剩下标称的一小部分，直接导致 泵不上去/充电时间变长。

（D）RC 自激振荡（R14、C13/以及与 C14 的耦合）

  R14（10 k）+ C13（1 nF）构成时间常数τ。原理是：1.用一只 NAND（把另一输入钳为高）当“反相器”；再用 R、C 从输出回送到输入端，形成充放电；2.当输入电压跨过门电路翻转阈值，输出翻转，电容改为向相反方向充/放电，如此循环形成振荡。
注：CD4011 不是施密特触发（Schmitt）器件，输入阈值、噪声裕量、温漂、传播延迟都会影响是否可靠起振，以及频率/占空比是否稳定。你这类“门电路振荡 + 负载还接着电荷泵”的场景，最常见故障之一就是：边界温度/器差下起振条件不满足 → 方波幅度/频率下降 → 充不起电。
  对“带施密特阈值”的 RC 振荡，以下为计算充电、放电、周期频率和占空比的计算方法。
  充电时间：（从 $V_{T-}$ 到 $V_{T+}$）：
$$t_H=RC\ln \left(\frac{V_{DD}-V_{T-}}{V_{DD}-V_{T+}}\right)$$
  放电时间（从 $V_{T+}$ 到 $V_{T-}$）：
$$t_L=RC\ln \left(\frac{V_{T+}}{V_{T-}}\right)$$
  周期与频率：$$T=t_H+t_L,f=\frac{1}{T}$$
  占空比：$$D=\frac{t_H}{t_H+t_L}$$
注：CD4011 的“逻辑识别门限”在 15 V 下给出了 VIL/VIH（4 V / 11 V），但这不是严格的翻转阈值，只能做保守边界参考。

（2）具体升压（倍压）流程

  为了把 15 V 可靠堆到 30 V，电荷泵最理想是两相互补方波（相位相反、
，通常会用其中两路产生互补相位（例如 SW 与 /SW），分别去完成：

（A）相位 Φ1：预充飞跨电容

假设：$$V_{SW}=V_{DD}=15\mathrm{V}$$
  互补相位$V_X=0\mathrm{V}$
  D5 导通，把泵节点/飞跨电容一侧钳到接近 15 V（减去二极管压降）。
  则飞跨电容（C14）被充到近似：$$V_{C14}\approx V_{DD}-V_{D5}$$

（B）相位 Φ2：泵升叠加

  切换到：
$$V_{SW}=0\mathrm{V}$$$$V_X=15\mathrm{V}$$
  因为 C14 上的电压在一个周期内近似保持，泵节点瞬时被“抬高”到：$$V_{\mathrm{PUMP}}\approx V_X+V_{C14}\approx 15+(15-V_{D5})=30-V_{D5}$$
  当 $V_{\mathrm{PUMP}}$ 高于输出电容 C15 的电压加上 D6 压降时，D6 导通，把电荷灌入 C15：$$V_{\mathrm{OUT}}\to V_{\mathrm{OUT}}+\Delta V$$
  最终稳定在：$$V_{\mathrm{OUT}}\approx 2V_{DD}-V_{D5}-V_{D6}-I_{\mathrm{OUT}}\cdot R_O$$
  这个“比 2VI 少一截，并随负载下滑”的形式就是电荷泵本质。

（3）三个阶段

（A）阶段 S0：关断（JB3=1，Q3 导通）

  1.JB3=H → Q3 ON → SW 被强拉到 0 V
  2.电荷泵停止：D5/D6 不再被有效驱动，C15 通过 R54 缓慢泄放
  3.CD4011 关键脚位（示例）：VDD(14)=15 V；VSS(7)=0 V；SW（Y3(10)所在网）≈0 V（被 Q3 钳位）；振荡相关输入若被钳位在 VIL 内（<4 V），则不会起振。

（B）阶段 S1：启动（JB3=0，Q3 截止）

  JB3=L → Q3 OFF → SW 被 R18 上拉到 15 V。
  RC 网络建立初值，振荡开始（若起振裕量足够）。
  进入“预充 + 泵升”循环。

（C）阶段 S2：稳态倍压（振荡进行中）

以两相互补为例（每个周期两段）：
  Φ1：SW=H，X=L：D5 导通预充，C14 充到约$15-V_{D5}$。
  Φ2：SW=L，X=H：泵节点抬高，D6 导通给 C15 充电。

三、该电路缺点、风险

1.CD4011 不是 施密特Schmitt：温漂/器差/负载导致起振失败或频率骤降（方波不够“硬”）。
2.电容 DC-bias 有效值大幅下降：尤其 C14/C15 用的是小封装 MLCC（0.1 µF@30 V 可能远小于标称），泵电流不足 → 充电时间超标或充不上去。
3.驱动电流与尖峰电流：电荷泵在启动时峰值电流会显著更高，若门电路输出能力、二极管、走线电阻导致波形塌陷，会出现“启动上不去”。
4.I/O 过压风险：任何 CD4011 输入脚如果被泵节点耦合到 >VDD+0.5，会触发内部保护/闩锁风险；极限输入电压范围是 −0.5~VDD+0.5。
5.二极管反向漏电随温度上升：高温下输出保持能力变差，等效负载变大，最终电压上不去（尤其你用 0.1 µF 这种很小的 C15）。

四、总结

  这套 15 V→30 V 电路本质是 CD4011 产生两相/互补方波 + C14/C15/D5/D6 组成的非稳压倍压电荷泵。理想输出满足$V_{OUT}\sim 2V_{IN}$，但实际会被二极管压降与等效输出电阻拉低，并随负载电流下滑：$V_{OUT}\sim 2V_{IN}-V_{D5}-V_{D6}-I_{OUT}{R}_O$