設(shè)計(jì)電荷泵雙極電源

本文介紹并討論了 ±5 V 無(wú)電感器電源的原理圖設(shè)計(jì)。

我近寫(xiě)了一篇關(guān)于電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的文章，即通過(guò)周期性地將電荷泵送到電容器而不是通過(guò)電感器切換電流來(lái)產(chǎn)生輸出電壓的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器?；陔姾杀玫碾妷赫{(diào)節(jié)是更常見(jiàn)的基于電感器的方法的重要替代方案；電荷泵電路

更簡(jiǎn)單，更便宜；

需要更少的PCB面積；

在低負(fù)載電流下提供出色的效率；和

不要產(chǎn)生盡可能多的輻射 EMI。

電荷泵穩(wěn)壓器的主要限制是輸出電流；當(dāng)您需要超過(guò) 50–100 mA 的電流時(shí)，基于電感器的開(kāi)關(guān)是更好的選擇。然而，對(duì)于許多低功率電子設(shè)備或子電路來(lái)說(shuō)，50 mA 的電流已經(jīng)足夠了，在我看來(lái)，對(duì)基于電感器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換的關(guān)注導(dǎo)致許多設(shè)計(jì)人員忽略了一個(gè)可能更優(yōu)越的替代方案。

USB 輸入，±5 V 輸出

我為采用 5 V 輸入并生成 +5 V 和 –5 V 輸出軌的電源模塊創(chuàng)建了一個(gè)參考設(shè)計(jì)。為不同的電壓修改此電路并不困難，但我認(rèn)為 5 V 至 ±5 V 配置在許多應(yīng)用中可能很有用，因?yàn)?5 V 是您從 USB 電源獲得的電壓（幾乎隨處可用）并且因?yàn)?±5 V 適用于范圍廣泛的模擬電路。此外，如果您想使用 LDO 生成 3.3 V，5 V 是一個(gè)很好的起點(diǎn)，因此您可以將正 5 V 電源軌用于模擬電路，并將其調(diào)節(jié)至 3.3 V 用于數(shù)字電路。

關(guān)于雙電源的注意事項(xiàng)：毫無(wú)疑問(wèn)，許多模擬電路都可以在單電源環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，而且這種方法很有優(yōu)勢(shì)。然而，我個(gè)人的看法是，當(dāng)使用雙極電源時(shí)，模擬電路更直接、更直觀。我是不愿意用不必要的電源電路使設(shè)計(jì)復(fù)雜化的人，但本文介紹的電荷泵電路非常簡(jiǎn)單緊湊，它使雙極性電源成為許多模擬和混合信號(hào)設(shè)備的可行選擇。

LTC3265

該電路的元件是Linear Tech/Analog Devices 的LTC3265。

圖表取自LTC3265數(shù)據(jù)表。

它是一個(gè)高度集成的部件，包含一個(gè)倍壓電荷泵、一個(gè)電壓反相電荷泵和兩個(gè)線性穩(wěn)壓器。以下是我如何生成對(duì)稱的低噪聲軌道：

輸入電壓饋送到倍壓電荷泵。

雙電荷泵的輸出饋送到反相電荷泵。

使用 LDO 將倍壓和反相電荷泵的輸出調(diào)節(jié)到所需的電壓。

還有其他方法可以實(shí)現(xiàn) LTC3265。您可以將輸入電壓反相，然后將輸入電壓和反相電壓用作雙極電源軌，或者將輸入電壓反相并加倍，然后使用 LDO 僅調(diào)節(jié)加倍的電壓，或者使用加倍的電壓為逆變器供電，并且將雙倍和反相輸出直接連接到負(fù)載（即不使用 LDO）。

但是，在大多數(shù)情況下，我在參考設(shè)計(jì)中使用的配置更可?。?/p>

用途廣泛：倍壓器和反相器產(chǎn)生±10 V后，只需更換兩個(gè)電阻即可選擇不同的終輸出電壓。LDO 電壓設(shè)置如下：

$$V_{LDO+}=1.2Vtimesleft（frac{R_3}{R_1}+1right） V_{LDO-}=-1.2Vtimesleft（frac{R_4 {R_2}+1右）$$

使用 LDO 產(chǎn)生輸出軌有助于抑制電荷泵開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的噪聲。

LDO 還確保輸出軌具有穩(wěn)定的電壓，即使輸入電壓存在顯著變化也是如此。

在我們討論原理圖的其他方面之前，我應(yīng)該提到一個(gè)細(xì)節(jié)：我將電荷泵稱為“倍增”和“反相”，但整個(gè)故事有點(diǎn)復(fù)雜。LTC3265 可以工作在突發(fā)模式或開(kāi)環(huán)模式。在開(kāi)環(huán)模式下，升壓電荷泵將其輸入電壓增加兩倍，反相電荷泵將其輸入電壓乘以負(fù)一。然而，在突發(fā)模式下，這些因素略?。篤 BOOST = 0.94 × 2 × V IN_BOOST和 V INV = –0.94 × V IN_INV。不過(guò)，這并沒(méi)有真正影響我的電路，因?yàn)槲⑿〉牟町惒粫?huì)改變 LDO 產(chǎn)生的電壓。

原理圖細(xì)節(jié)

這是我的無(wú)電感雙極電源的完整原理圖：

電源通過(guò)典型的 USB Micro-B 連接器進(jìn)入。

我在輸入端加入了一個(gè)大電容，因?yàn)楫?dāng)電路板的輸入電壓通過(guò)電纜和/或未知時(shí)，我總是喜歡有足夠的電容。但是，47 μF 電容器會(huì)顯著增加電路板尺寸和成本（尤其是成本），因此如果您有預(yù)算或空間限制，請(qǐng)考慮取消 C1。

RT 引腳和地之間的電阻值決定了 LTC3265 的振蕩器頻率。我使用了一個(gè)電位器，這樣我就可以嘗試不同的頻率。

J3 和 J4 是母接頭，可用于插入老式通孔電阻器。這使我能夠評(píng)估電路在不同負(fù)載條件下的性能。

C8 和 C9 不是必需的，但您也可以包括它們，因?yàn)樗鼈兛梢詼p少 LDO 輸出電壓中的噪聲量。

結(jié)論

正如您從原理圖中看到的那樣，像 LTC3265 這樣的部件允許您生成低噪聲雙極電源，而無(wú)需大量的設(shè)計(jì)工作和一長(zhǎng)串元件。（我假設(shè) LDO 會(huì)消除大部分開(kāi)關(guān)噪聲；我會(huì)在有機(jī)會(huì)測(cè)試電路板后確定。）雖然肯定不是大電流電源，但該電路可以提供高達(dá) 100 mA（來(lái)自每個(gè) LDO 的 50 mA），這對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。