交錯(cuò)式反相電荷泵：實(shí)現(xiàn)和結(jié)果

作者：on Kraft and Alexander Ilustrisimo

介紹

在本系列的第1部分中，我們介紹了一種從正電源產(chǎn)生低噪聲負(fù)電源軌的獨(dú)特方法，并介紹了控制其工作的方程的推導(dǎo)。第2部分深入探討了這種交錯(cuò)式反相電荷泵（IICP）實(shí)現(xiàn)與ADI公司新型ADP5600的實(shí)際示例。我們將ADP5600的電壓紋波和輻射發(fā)射與標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵進(jìn)行比較，以展示交錯(cuò)如何改善低噪聲性能。我們還使用第1部分中的方程來(lái)優(yōu)化該解決方案的性能，將其應(yīng)用于低噪聲相控陣波束成形電路。

全球首款商用交錯(cuò)式反相電荷泵

如第1部分所述，IICP用于集成電路中以產(chǎn)生小的負(fù)偏置軌。ADP5600獨(dú)特地將低噪聲IICP與其他低噪聲特性和高級(jí)故障保護(hù)相結(jié)合。

ADP5600是一款交錯(cuò)式電荷泵逆變器，集成低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器。與傳統(tǒng)的電感或電容解決方案相比，其獨(dú)特的電荷泵級(jí)表現(xiàn)出更低的輸出電壓紋波和反射輸入電流噪聲。交錯(cuò)作為一種低噪聲概念是聰明的，但交錯(cuò)通道并不是解決噪聲問(wèn)題的萬(wàn)能藥。要實(shí)現(xiàn)真正的低噪聲，需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的IC，以實(shí)現(xiàn)IICP的低噪聲優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保持解決方案尺寸小而高效。

固定和可編程開(kāi)關(guān)頻率

許多反相電荷泵的工作頻率為幾百kHz。這種相對(duì)較低的頻率限制需要相對(duì)較大的電容器，并限制可以放置頻率雜散的位置。ADP5600的工作開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz至1.1 MHz，因此可以有效地用于現(xiàn)代系統(tǒng)。此外，該頻率始終是固定的——頻率與輸出負(fù)載沒(méi)有變化。開(kāi)關(guān)頻率變化（擴(kuò)頻頻率調(diào)制）通常用于提高電荷泵的效率，但它可能會(huì)在噪聲敏感系統(tǒng)中產(chǎn)生問(wèn)題。

外部頻率同步

許多低噪聲系統(tǒng)需要將高幅度開(kāi)關(guān)噪聲放入定義的頻段，其中產(chǎn)生的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響最小。考慮到這一點(diǎn)，轉(zhuǎn)換器的工作頻率在噪聲敏感系統(tǒng)中是同步的，但同步在電荷泵逆變器中很少見(jiàn)。相比之下，ADP5600可以同步至高達(dá)2.2 MHz的外部時(shí)鐘。

低壓差常規(guī)

由于ADP5600覆蓋較寬的輸入電壓范圍，其電荷泵輸出電壓可能過(guò)高，無(wú)法為較低電壓電路供電。因此，ADP5600內(nèi)置一個(gè)LDO后置穩(wěn)壓器。它還具有一個(gè)以正電壓為基準(zhǔn)的電源良好引腳，以便在LDO輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)輕松進(jìn)行電源排序。

故障保護(hù)

最后，ADP5600包括一套全面的故障保護(hù)功能，適用于魯棒應(yīng)用。這包括過(guò)載保護(hù)、短路跨接電容器保護(hù)、欠壓鎖定 （UVLO）、精密使能和熱關(guān)斷。另一個(gè)新穎功能是跨接電容電流限制，還可以降低為飛橋電容充電時(shí)的峰值電流尖峰。

來(lái)自ADP5600的測(cè)試數(shù)據(jù)

第 1 部分提供了理論證明，與非交錯(cuò)解決方案相比，IICP 架構(gòu)顯著改善了紋波。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，第1部分所示的推導(dǎo)非常理想——它們忽略了寄生效應(yīng)、布局依賴(lài)性（IC和PCB）、時(shí)序失配（即不完美的50%振蕩器）和RDS錯(cuò)位。這些因素導(dǎo)致與計(jì)算和測(cè)量的電壓紋波有些偏差。與往常一樣，最好將ADP5600投入使用，觀察其性能，并使用推導(dǎo)的公式來(lái)指導(dǎo)電路優(yōu)化以獲得最佳性能。

此處使用標(biāo)準(zhǔn)ADP5600評(píng)估板，但插入了R飛，以及對(duì) C 值的修改飛和 C外.此外，我們還使用ADP5600的SYNC功能來(lái)改變開(kāi)關(guān)頻率。圖1中的框圖顯示，各個(gè)電荷泵的開(kāi)關(guān)頻率是該SYNC頻率的一半;也就是說(shuō)，F(xiàn)OSC= 1/2 f同步.

圖3和圖4分別顯示了交錯(cuò)和非交錯(cuò)反相電荷泵在相同條件下工作的輸出電壓紋波。

圖1.ADP5600交錯(cuò)式反相電荷泵簡(jiǎn)化框圖

圖2.ADP5600交錯(cuò)式反相電荷泵測(cè)試設(shè)置

圖3.ADP5600 IICP輸出電壓，電壓在= 6 V， C外= C飛= 2.2 μF， fOSC= 250 kHz， I負(fù)荷= 50 mA。

圖4.標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵輸出電壓，帶V在= 6 V， C外= C飛= 2.2 μF， fOSC= 250 kHz， I負(fù)荷= 50 mA。

在這些條件下，ADP5600的輸入和輸出電壓紋波比傳統(tǒng)反相電荷泵低近14倍。我們還可以確定該電壓紋波是否與本系列第1部分中推導(dǎo)的方程相匹配。回想一下第 1 部分，IICP 的輸出（或輸入）電壓紋波由下式給出：

使用公式1，用實(shí)值代入R。外和 R上，可以比較計(jì)算和測(cè)量的輸出電壓紋波。表1給出了各種測(cè)試配置的這些結(jié)果，并指出了與非交錯(cuò)電荷泵實(shí)現(xiàn)方案相比的改進(jìn)。

表1顯示，交錯(cuò)電壓紋波與公式1的預(yù)測(cè)非常吻合。還顯示了與標(biāo)準(zhǔn)非交錯(cuò)式反相電荷泵相比的改進(jìn)。此表中的某些設(shè)置還包括一個(gè)額外的外部電阻 R飛，與 C 串聯(lián)連接飛.這些結(jié)果表明，R飛進(jìn)一步降低了電壓紋波，但以電荷泵輸出電阻為代價(jià)。公式1和本系列第1部分的分析也預(yù)測(cè)了這一點(diǎn)。

除了輸出電壓紋波外，IICP的輻射發(fā)射也比標(biāo)準(zhǔn)電荷泵有所改善。為了測(cè)量這一點(diǎn)，在評(píng)估板上放置了一個(gè)25 mm天線（圖5），并測(cè)試了各種配置。圖6顯示了這種配置與標(biāo)準(zhǔn)非交錯(cuò)式電荷泵逆變器的比較。IICP拓?fù)涫沟谝淮魏偷谌伍_(kāi)關(guān)諧波的噪聲降低12 dB至15 dB。

圖6.輻射發(fā)射，V在= 12 V， I負(fù)荷= 50 mA， C飛= C外= 2.2 μF， f同步= 500 kHz。綠色 = 標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)色 = IICP。

IICP的應(yīng)用實(shí)例

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、RF放大器和RF開(kāi)關(guān)需要低噪聲電源。這些系統(tǒng)中電源設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)是：

功耗和高溫操作

抗擾度和低電磁干擾貢獻(xiàn)

大輸入電壓范圍

最小化解決方案尺寸和占用空間

為了說(shuō)明IICP的完整設(shè)計(jì)和優(yōu)勢(shì)，我們考慮一個(gè)為RF放大器、RF開(kāi)關(guān)和相控陣波束成形器供電的應(yīng)用。該應(yīng)用包含在ADTR1107數(shù)據(jù)手冊(cè)中，并復(fù)制于圖7。

圖7.ADAR1000 外加 1107 個(gè) ADTR<> 電源軌。

圖8.ADP5600 和 LT3093 用于為 AVDD1 和 VSS_SW 供電。

在本例中，需要幾個(gè)高功率正電壓軌，這些電源軌留作電感式降壓轉(zhuǎn)換器的工作。還需要兩個(gè)負(fù)電源軌：AVDD1 和 VSS_SW.ADAR1000 使用 AVDD1 生成用于VGG_PA和LNA_BIAS的低噪聲偏置軌。AVDD1 在 50 mA 時(shí)為 –5 V，VSS_SW 為 –3.3 V/<100 μA 電源軌，發(fā)往 ADTR1107 內(nèi)的 RF 開(kāi)關(guān)。每個(gè)ADAR1000使用四個(gè)ADTR1107，因此–3.3 V電源軌的最大功耗為1 mA。通常，這些系統(tǒng)的電源軌為12 V。

ADP5600是12 V電壓下產(chǎn)生–5 V/50 mA電壓和–3.3 V/1 mA電源軌的理想選擇，因?yàn)樗蓪?shí)現(xiàn)低輸入和輸出電壓紋波以及低輻射發(fā)射。此外，在很寬的范圍內(nèi)同步開(kāi)關(guān)頻率的能力允許將開(kāi)關(guān)噪聲放置在對(duì)系統(tǒng)影響最小的地方。圖 8 顯示了最終設(shè)計(jì)。

LT?3093 是一款非常低噪聲的 LDO 線性穩(wěn)壓器，其能夠提供高電壓，從而允許 ADP5600 充電泵輸出 （CPOUT） 直接連接到其輸入。其–5 V輸出由SET引腳上的電阻設(shè)置，可編程電源良好引腳可在AVDD1電源軌符合要求時(shí)通知其他系統(tǒng)。ADP5600的LDO調(diào)節(jié)低得多的電流VSS_SW軌。雖然沒(méi)有 LT3093 那么低噪聲或高電源抑制比 （PSRR），但它能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的電源軌來(lái)VSS_SW。所有三個(gè)電源軌（電荷泵、AVDD1 和 VSS_SW）的輸出電壓紋波如圖9所示。

圖9.電荷泵輸出電壓紋波（V）在= 12 V， C外= 10 μF（標(biāo)稱(chēng)值），C飛= 2.2 μF （標(biāo)稱(chēng)）， f同步= 1 兆赫 （fOSC= 500 kHz），I負(fù)荷= 50 mA。

結(jié)論

這個(gè)由兩部分組成的系列介紹了一種從正電源產(chǎn)生低噪聲負(fù)電源軌的新方法。第1部分介紹了交錯(cuò)式負(fù)相電荷泵操作背后的概念。第2部分通過(guò)采用ADI公司新型ADP5600構(gòu)建和測(cè)試的完整解決方案，將這些想法付諸實(shí)踐。該解決方案使用第 1 部分中推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化。將傳導(dǎo)和輻射發(fā)射與標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵進(jìn)行比較。在某些情況下，與標(biāo)準(zhǔn)電荷泵逆變器相比，實(shí)現(xiàn)了18倍的改進(jìn)，這對(duì)于滿足現(xiàn)代精密和RF系統(tǒng)的低噪聲要求非常重要。

審核編輯：郭婷