交錯式反相電荷泵——第一部分：用于低噪聲負電壓電源的新拓撲結(jié)構(gòu)

作者：ADI 公司 - Jon Kraft， Steve Knoth

簡介

精密儀器儀表或射頻（RF）電路中的噪聲必須最小化，但由于這些系統(tǒng)的特性，降低噪聲要應(yīng)對許多挑戰(zhàn)。例如，這些系統(tǒng)常常必須在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，同時要滿足嚴格的電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）要求。此外，系統(tǒng)中擠滿了電子元器件，因而存在空間限制且對熱敏感。集成電路（IC）日益提高的復(fù)雜度導(dǎo)致這些系統(tǒng)需要更多的電源電壓軌。生成所有這些電壓軌，滿足上述要求，并使整個系統(tǒng)保持低噪聲，是一個艱巨任務(wù)。

ADI公司提供了多種多樣的解決方案來產(chǎn)生低噪聲電源。這些解決方案中的大多數(shù)設(shè)計用于產(chǎn)生正電壓軌，只有很少的專用IC用于產(chǎn)生負電壓。當(dāng)負電壓需要為低噪聲器件（如RF放大器、開關(guān)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器ADC/DAC）供電時，選擇范圍特別有限。

本系列文章的第一部分將介紹一種從正電源產(chǎn)生這種低噪聲負電壓軌的新方法。首先簡要說明負電壓軌通常如何產(chǎn)生以及用在何處。然后，在介紹交錯式反相電荷泵（IICP）拓撲之前，我們將討論標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵。通過對IICP的輸入和輸出電壓紋波的簡短推導(dǎo)，強調(diào)其在低噪聲系統(tǒng)中的特有優(yōu)勢。

該系列的第二部分將給出一個使用ADI公司新型ADP5600實現(xiàn)IICP的實際示例。首先通過測量電壓紋波和電磁輻射騷擾來將此器件與標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵進行比較。然后使用第一部分中的公式來優(yōu)化IICP性能，并開發(fā)出一種為低噪聲RF電路供電的完整解決方案。

產(chǎn)生負電壓的傳統(tǒng)方法

為了產(chǎn)生負電壓，通常采用以下兩種方法之一：使用電感開關(guān)穩(wěn)壓器或使用電荷泵。電感開關(guān)穩(wěn)壓器利用電感或變壓器產(chǎn)生負電壓。這些磁轉(zhuǎn)換器拓撲的例子有：反相降壓、反相降壓-升壓和？0？3uk。在解決方案尺寸、成本、效率、噪聲產(chǎn)生和控制環(huán)路復(fù)雜性方面，每種拓撲都有其優(yōu)點和缺點1， 2。一般而言，基于磁性元件的轉(zhuǎn)換器適合需要較高輸出電流（》100 mA）的應(yīng)用。

對于所需輸出電流小于100 mA的應(yīng)用，電荷泵正轉(zhuǎn)負（反相）DC-DC轉(zhuǎn)換器可以非常小，并且EMI低，因為不需要電感或控制環(huán)路。它們只需要通過開關(guān)在電容之間移動電荷——將產(chǎn)生的電荷提供給輸出。

因為電荷泵不使用任何磁性元件（電感或變壓器），所以其EMI通常比感性開關(guān)拓撲要低。電感往往比電容大得多，非屏蔽電感還會像天線一樣廣播電磁輻射騷擾。相比之下，電荷泵中使用的電容不會產(chǎn)生比典型數(shù)字輸出更多的EMI。電荷泵可以用短走線輕松布線，以減少天線面積和容性耦合，從而降低EMI。

表1比較了基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器和開關(guān)電容反相拓撲。

傳統(tǒng)反相電荷泵

傳統(tǒng)反相電荷泵的配置如圖1所示。

圖1.反相電荷泵原理圖。

電荷泵的輸出阻抗ROUT定義為電荷泵機制從輸入到輸出的等效電阻。它可以通過測量輸入至輸出電壓差并除以負載電流來求得：

對于反相電荷泵，GAIN = –1。

或者，等效輸出電阻可以作為開關(guān)頻率、開關(guān)電阻和反激電容大小的函數(shù)來計算，一般簡化為：

其中為四個開關(guān)電阻之和。

四個開關(guān)以相同頻率fOSC工作，每個都在開關(guān)周期T的一半時間內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，其中T = 1/fOSC。基于開關(guān)周期的兩部分，可以將操作分為兩個階段，如圖2所示。

圖2.電荷泵在每個操作階段都要反相。

圖3.反相電荷泵的時序圖。

圖3給出了電荷泵各階段操作的電壓和電流。在階段1中，S1和S2閉合，S3和S4斷開。這會將飛跨電容（CFLY）充電至+VIN的電壓。在階段2中，S1和S2斷開，S3和S4閉合，來自CFLYIN流入CFLY，斷續(xù)電流從CFLY流出到COUT。這會導(dǎo)致CIN和COUT上出現(xiàn)電壓紋波，紋波可以計算如下：

公式4和公式5說明，對于標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵，電壓紋波是開關(guān)頻率和輸入（或輸出）電容的函數(shù)。更高的頻率和更高的電容會以1:1的關(guān)系減少紋波。然而，提高頻率存在實際障礙——這會增加芯片的電流消耗，從而降低效率。/p》

同樣，成本和PCB面積常常會限制反相電荷泵的最大輸入和輸出電容。另請注意，反激電容在電荷泵的電壓紋波中不起作用。

為了減少紋波，可以在電荷泵周圍構(gòu)建輸入和輸出濾波器，但這又會提高復(fù)雜性和電荷泵的輸出電阻。不過，這些問題可以通過對標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵逆變器進行改進來解決：交錯式反相電荷泵（IICP）。

交錯式反相電荷泵（IICP）

相位交錯廣泛用于感性開關(guān)穩(wěn)壓器（即多相操作）中，目的是減少輸出電壓紋波3。以恰好50%的占空比交錯的2相降壓轉(zhuǎn)換器，理論上產(chǎn)生0 mV的輸出電壓紋波。當(dāng)然，穩(wěn)壓降壓轉(zhuǎn)換器的占空比會隨輸入和輸出電壓而變化，因此只有VIN = 2 VOUT時才能實現(xiàn)50%的占空比。電荷泵通常以恰好50%的占空比工作，因此，交錯式電荷泵逆變器值得考慮。/p》

當(dāng)裸片上需要極低電流的負軌時，有時會在IC內(nèi)使用交錯式電荷泵，但目前尚無商用的專用IICP反相DC-DC轉(zhuǎn)換器。IICP的結(jié)構(gòu)需要兩個電荷泵和兩個飛跨電容。第二電荷泵與第一電荷泵以180°錯相操作開關(guān)。我們來看一下IICP的設(shè)置和輸出紋波，并重點說明如何優(yōu)化其性能。設(shè)置如圖4所示，時序圖如圖5所示。

圖4.交錯式反相電荷泵。

圖5.交錯式反相電荷泵的時序圖。

在振蕩器的每一相中，飛跨電容之一連接到VIN，另一個連接到VOUT。乍一看，有人可能會認為添加第二個電容只會將電壓紋波減小一半。但是，這是不準(zhǔn)確的過度簡化。實際上，輸入和輸出電壓紋波可能遠小于標(biāo)準(zhǔn)逆變器，因為電容始終從輸入端充電并向輸出端放電。從IICP輸出電壓紋波的推導(dǎo)過程可以更好地理解這一點。

IICP輸出電壓紋波推導(dǎo)

由于IICP總是有一個飛跨電容向輸出提供電流，因此可以簡化其輸出級，如圖6所示。

此外，IICP的輸出電阻（如公式1所定義）可近似為：

其中為開關(guān)電阻之和。

將電流加到ILOAD中，我們得出：

其中dt等于開關(guān)周期的四分之一（T/4或1/（4 × fOSC））。輸出電壓紋波？6？2VOUT為dVOUT，VCFLY（t）為CFLY兩端的電壓差。我們可以合理地假設(shè)，相對于飛跨電容電壓紋波，輸出電壓紋波很小。為了計算？6？2VOUT，我們需要了解VCFLY（t）。從圖6可知，IFLY等于流經(jīng)兩個導(dǎo)通開關(guān)的電流。每個開關(guān)有RON的電阻。所以：

為了求解VCFLY（t）的這個微分方程，必須知道至少一個初始條件。此條件可通過查閱圖5中的時序圖得知。請注意，從t = 0到t = T/4，兩個CFLY電容均向ILOAD提供電流，并對COUT充電。然后，從t = T/4到t = T/2，CFLY和COUT向輸出負載提供電流。在t = T/4（及類似的t = 3/4 T）時刻，COUT對ILOAD的貢獻恰好為0。所以，此時ILOAD等于IFLY，而VCFLY的電壓為：

使用公式8和公式9，我們可以微分求解VCFLY（t）：

為了求得公式7的VCFLY變化量，取兩個點（例如t = 0和t = T/4），對每個點求解公式10。結(jié)果簡化為：

結(jié)合公式11和公式7，求解？6？2VOUT得出：

公式12的影響最初可能并不明顯。先通過考慮理想開關(guān)的情況（RON = 0Ω）來簡化它可能會有幫助。這樣做會使第二項接近于零，僅留下第一項。第一項非常類似于標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵紋波（公式4），但IICP的雙飛跨電容使分母增大2倍。兩倍的電荷泵使波紋減半。該結(jié)果與直觀判斷一致。

但是，公式12的重要部分是后半部分。注意第二項的負號，這意味著該部分會減小輸出電壓紋波。重點看導(dǎo)通電阻（RON）和飛跨電容（CFLY）。在標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵中，這些項在降低輸出電壓紋波方面不起作用。但在IICP中，導(dǎo)通電阻會起到讓充電和放電電流平滑的作用。雙飛跨電容使這種充電/放電動作不會中斷。

輸出電壓紋波驗證

我們可以利用電路仿真來檢查公式12的準(zhǔn)確性以及用于推導(dǎo)該公式的假設(shè)的有效性。使用LTspice?很容易完成這項工作。該仿真的原理圖如圖7所示，文件可供 下載。

在多種條件下進行了比較，結(jié)果匯總于表2。

表2.各種配置的理論結(jié)果與LTspice仿真結(jié)果的比較

表2顯示，公式12與仿真非常接近，從而驗證了簡化公式時所做假設(shè)的有效性?，F(xiàn)在，我們可以使用該公式權(quán)衡在IICP實現(xiàn)中不同做法的利弊。

比較IICP和標(biāo)準(zhǔn)電荷泵的電壓紋波也很有幫助。在本系列的第二部分中，我們將展示這些不同的平臺實驗數(shù)據(jù)的差異性。但現(xiàn)在，圖8中的LTspice模型可以說明輸出電壓紋波的差異。

圖7.LTspice中的交錯式反相電荷泵。

圖8.IICP與常規(guī)電荷泵的輸出電壓紋波比較：VIN = 12 V，ILOAD = 50 mA，CFLY = 2.2 μF，COUT = 4.7 μF，RON = 3 Ω。為了直觀地與常規(guī)電荷泵進行比較，其RON減半且CFLY加倍。

IICP拓撲優(yōu)化

推導(dǎo)完IICP公式并證明其有效性后，我們得出兩個主要結(jié)論：對于IICP，導(dǎo)通電阻（RON）會同時減少輸入和輸出電壓紋波，這是很理想的結(jié)果。相反，在標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵中，導(dǎo)通電阻是完全不適宜的，因為它會增加電荷泵的ROUT，而且不會降低紋波電壓。實際上，我們可以在反激電容上串聯(lián)一個電阻來進一步增加導(dǎo)通電阻。這就為我們以增加電荷泵電阻為代價來減少輸入和輸出電壓紋波提供了一種手段。在本系列第二部分討論IICP的使用案例時，我們會進一步探討這種手段。

其次，可以優(yōu)化飛跨電容的值及其與COUT的比率，以進一步優(yōu)化紋波。例如，小型封裝的大輸出電容可能很難找到，而且在較高電壓下電容會明顯降額。但是，通過減小COUT，然后增大CFLY，可以獲得相同的輸出電壓紋波，而電容值更容易獲得。例如，不需要CFLY = 1 μF且COUT = 10 μF，而是將它們都設(shè)置為2.2 μF，兩種情況下獲得的輸出電壓紋波幾乎相同。與10 μF/25 V電容相比，小型封裝的2.2 μF/25 V電容更容易獲得。第二部分中的示例應(yīng)用對此進行了探討。

結(jié)論

以上是關(guān)于交錯式反相電荷泵拓撲的系列文章（分兩部分）的第一部分。本部分介紹了IICP拓撲的一般概念，包括輸入/輸出電壓紋波計算。輸入/輸出紋波公式的推導(dǎo)得出了關(guān)于如何優(yōu)化IICP解決方案性能的重要見解。

本系列的第2部分將介紹ADP5600，這是一款用于IICP拓撲的集成解決方案。我們將測量其性能，并與標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵進行比較。最后，我們將把所有相關(guān)內(nèi)容組合在一起來為一個低噪聲相控陣波束成型解決方案供電。

參考電路

1Jaino Parasseril。 “如何使用μModule降壓穩(wěn)壓器從正輸入產(chǎn)生負輸出電壓” 。凌力爾特。

2Kevin Scott and Jesus Rosales。“？0？3uk組合式轉(zhuǎn)換器和反相電荷泵轉(zhuǎn)換器之間的區(qū)別” 。ADI公司。

3Majing Xie。 “大功率、單電感、表貼降壓-升壓μModule穩(wěn)壓器處理36 VIN、10 A負載” 。凌力爾特，2008年3月。

作者

Jon Kraft

Jon Kraft是高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師，工作地點在科羅拉多州，已在ADI公司工作了13年。他主要致力于軟件定義無線電和航空航天相控陣雷達應(yīng)用。他擁有羅斯豪曼理工學(xué)院電子工程學(xué)士學(xué)位和亞利桑那州立大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。他擁有九項專利，六項與ADI相關(guān)，一項正在申請中。

Steve Knoth

Steve Knoth 是ADI公司Power by Linear?部門的高級產(chǎn)品營銷工程師。他負責(zé)所有電源管理集成電路（PMIC）產(chǎn)品、低壓差穩(wěn)壓器（LDO）、電池充電器、電荷泵、基于電荷泵的發(fā)光二極管驅(qū)動器、超級電容器充電器、低壓單片開關(guān)穩(wěn)壓器和理想二極管器件。Steve從1990年起在MicroPower Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor擔(dān)任過多種營銷和產(chǎn)品工程職位，之后于2004年加入ADI公司（以前的凌力爾特公司）。他于1988年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于1995年獲得該大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學(xué)技術(shù)管理碩士學(xué)位（MBA）。除了與孩子們一起享受美好時光之外，Steve還喜歡玩彈球/街機游戲或肌肉車，以及購買、出售、收藏古董玩具和電影/體育/汽車紀念品。