無電感器雙極電源電路的設計方案

本文討論電荷泵 DC/DC 轉換器并介紹無電感器雙極電源電路的設計。

設計低壓電子設備的第一步是決定使用哪種類型的電源。基本上有兩種選擇：線性穩(wěn)壓器（LDO）或 DC/DC 轉換器。如今，我們經常選擇 DC/DC 轉換器，因為開關模式電壓調節(jié)通常比線性調節(jié)效率更高。（如果您想知道為什么我添加“一般而言”，請查看本文中標題為“效率問題”的部分。）

如果您像我一樣，在決定需要 DC/DC 轉換器后，您會立即開始對笨重的電路、復雜的組件選擇、嘈雜的輸出電壓等產生怨恨。但請務必記住，典型的基于電感器的開關穩(wěn)壓器并不是唯一的選擇。有一種完全獨立的拓撲可以提供顯著的優(yōu)勢，盡管它并不適合每種設計。

電感輸出，電容輸入

無電感器 DC/DC 轉換器被稱為“電荷泵”穩(wěn)壓器，因為它們使用開關定期將電荷“泵”到電容器上。我想你可以將其與手動充氣緩慢漏氣的輪胎進行比較。如果您打氣速度足夠快，輪胎就不會漏氣，即使輪胎正在漏氣，即使您沒有持續(xù)注入新空氣。泵入的空氣就像輸入電流，泄漏的空氣就像負載電流，我猜輪胎壓力有點像電壓。通過充分的泵送（記住泵送=定期注入空氣），您可以無限期地保持高輪胎壓力并提供負載電流。

因此，首先要了解的是，電荷泵穩(wěn)壓器使用開關定期將電流從輸入電源注入電容器。當輸入開關打開時，第二組開關將電容器連接到穩(wěn)壓器的輸出側，以便它可以提供負載電流。另一個要記住的關鍵點是電容器的電壓不會瞬時變化。因此，如果將其充電至 5 V，然后使用開關更改其連接，電容器兩端的電壓 (V?CAP?) 仍將是 5 V。這就是電容器可以輕松用作倍壓器的原因：

連接到輸入時，V?CAP為 5 V。連接到輸出時，V CAP（初始）為 5 V。但請注意，輸出側的下部連接連接到 V IN，而不是接地。這意味著 V?OUT必須比V?IN高5 V ；換句話說，V?OUT?= 2V?IN。

您可以使用類似的技巧來反轉輸入電壓：

這里，下部輸出連接是V?OUT并且上部輸出連接接地。當輸入開關打開且輸出開關閉合時，V?CAP?= 5V，因此輸出必須（最初）低于地電壓 5V；換句話說，V?OUT?= –V?IN。

可以實現其他輸入到輸出關系，但這兩個關系非常簡單，此外，如果您從電荷泵穩(wěn)壓器開始，然后使用線性穩(wěn)壓器微調輸出，它們可能就是您所需要的一切（這種方法還具有減少噪音的額外好處）。

優(yōu)點和缺點

如果您有閱讀我的文章的習慣，您可能會知道我對基于電感器的開關穩(wěn)壓器抱有不可避免的偏見，因此我的第一反應是宣稱電荷泵穩(wěn)壓器普遍優(yōu)越。然而，這完美地證明了當我們的結論基于偏見、恐懼或任性而不是合理的推理時，人類會變得多么荒謬。電荷泵方法在某些應用中很有用，但在許多（或大多數？）情況下，基于電感器的開關將更可取。

優(yōu)點

一般來說，電荷泵穩(wěn)壓器比同等的基于電感器的穩(wěn)壓器更小、更簡單且更便宜。這個好處列表可能看起來不是很長，但請記住，尺寸、上市時間和成本是當今工程領域的重要因素，有時甚至是至關重要的因素。

缺點

電荷泵穩(wěn)壓器無法提供與基于電感器的穩(wěn)壓器一樣多的輸出電流。我不確定如何準確地量化這一點，但對于需要超過 50-100 mA 的負載來說，基于電感器的開關似乎是首選。此外，在某些應用中（尤其是那些需要高輸出電流的應用），電荷泵穩(wěn)壓器的效率將低于基于電感器的等效電路的效率（盡管比 LDO 的效率要好）。

噪音

這兩種類型的開關穩(wěn)壓器都比線性穩(wěn)壓器噪聲更大。但其中一個比另一個更好嗎？我的猜測是這個問題沒有明確的答案，僅僅是因為影響噪音的其他因素太多了。然而，我有一種感覺，基于電感器的穩(wěn)壓器往往更糟，至少在輻射噪聲方面是這樣，因為電感器更像是天線（除非它是屏蔽的，但屏蔽電感器更昂貴）。如果您有任何有關電荷泵開關與基于電感器的開關的噪聲性能的信息，請在評論中告知我們。

結論

我想介紹這個主題，因為我最近設計了一個 5 V 至 ±5 V 電荷泵電源電路，可以將其作為子系統(tǒng)合并到您的下一個模擬或混合信號項目中。我使用 Linear Tech/Analog Devices 的 LTC3265：

該圖取自LTC3265數據表。

審核編輯：黃飛

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