電荷泵加線性穩(wěn)壓器組合的效率提升解決方案

在某些系統(tǒng)中，電荷泵加線性穩(wěn)壓器組合優(yōu)于基于電感的開關(guān)電源（帶或不帶后調(diào)節(jié)線性穩(wěn)壓器），原因如下：設計簡單，輻射EMI低，電感恐懼癥，對于這些應用，凌力爾特公司擁有越來越多的帶有集成線性穩(wěn)壓器解決方案的電荷泵，可提供低輸出電壓噪聲替代方案。

當效率受到關(guān)注時，電荷泵的組合相當有限它可以提供的輸出電壓。電荷泵非常適合將輸入電壓加倍或反相。它們也擅長提供一半的輸入電壓。下面的圖1a和1b顯示了當輸出端需要輸入電壓的一半時，電荷泵電路的兩個相位（電荷泵開關(guān)位置和電流）。已交換開關(guān)S2和S4的位置以簡化電路的繪制。

注意，在電荷泵周期的第一階段，飛跨電容和輸出電容串聯(lián)放置，并且然后在第二相上并聯(lián)放置以獲得輸入電壓的一半。該電路適用于正輸入電壓和負輸入電壓，即如果輸入為正，則輸出為正輸入的一半，如果輸入為負，則輸出為負輸入的一半。但是，如果唯一可用的輸入電壓是正的并且需要輸入電壓的一半的負電壓怎么辦？對于需要更高效率的設計，有時會出現(xiàn)這種情況。例如，如果輸入電壓為5V且需要低噪聲-1.8V怎么辦？使用簡單的電荷泵和線性穩(wěn)壓器會產(chǎn)生效率非常低的解決方案; 5V以大約80％的效率（假定的電荷泵效率）反轉(zhuǎn)為-5V，然后將其線性調(diào)節(jié)至-1.8V。線性穩(wěn)壓器效率非常低（V OUT / - V IN = 36％），當與電荷泵效率相結(jié)合時，級聯(lián)效率僅為29％ 。如果電荷泵可以提供-2.5V，則線性穩(wěn)壓器效率將增加到72％（ - 1.8V / -2.5V），從而使級聯(lián)效率加倍。請記住，線性穩(wěn)壓器必須具有非常低的壓差（在這種情況下小于-200mV），以在所需的電流水平下提供-1.8V的穩(wěn)壓輸出電壓。

提供-2.5V的電路從5V輸入是理想的，但如上所述，這僅在輸入和輸出極性相同時才有效。出現(xiàn)這個問題的原因是為了反轉(zhuǎn)輸入電壓，快速電容和輸出電容需要同時浮動然后并聯(lián)，但似乎沒有辦法根據(jù)電荷泵電路做到這一點。上圖。

圖2所示的智能LTC3260電路為解決困境提供了解決方案。使用外部肖特基二極管開關(guān)，該電路產(chǎn)生的負輸出電壓約為輸入的一半（減去肖特基二極管上的壓降），但極性相反，在負電源上產(chǎn)生較低的功耗。

LTC3260是一款單輸入電壓，雙極性輸出，無電感，低輸出電壓噪聲電源，包括一個反相電荷泵和兩個線性穩(wěn)壓器，可提供小尺寸的正負輸出電源。該器件采用4.5V至32V的正輸入電壓，采用50mA低噪聲線性穩(wěn)壓器，最大壓差為800mV（室溫下），以產(chǎn)生正輸出。它使用電荷泵來反轉(zhuǎn)輸入電壓;此負輸出電壓后面還有一個50mA低噪聲線性穩(wěn)壓器。該組合提供簡單的雙極性電源，輸出噪聲約為100μV RMS ，輸出電壓低至±1.2V。

電路工作原理如下：

當開關(guān)S1和S2閉合（S3和S4斷開）時，兩個串聯(lián)電容充電至輸入電壓的大約一半（（V IN - V C1 - V C2 - V F ）= 0V，其中V F 是肖特基二極管的正向壓降。由于兩個電容器的尺寸相同，V C1 = V C2 = V C ，等式減小到V IN = 2V C - V F 。

當S3和S4關(guān)閉（S1和S2打開）時，C +接地（圖4）。由于電容器兩端的電壓不能瞬間改變，因此C-的電壓將為-V C + V F 。輸出有效地將D1二極管壓降和C2串聯(lián)組合與C3和D3的串聯(lián)組合并聯(lián)。如果沒有使用二極管，電路將簡單地調(diào)節(jié)到-V IN 而不是~1 / 2V IN 。

尋找在15V輸入電壓和所需輸出±5V @ 50mA輸出的更極端情況下，再次假設電荷泵效率為80％，以下兩種情況如下：

情況1.標準反相電荷泵

正電源：15V線性穩(wěn)壓至5V = 33％效率

負電源：15V反相，效率為80％，線性調(diào)節(jié)至-5V = 26.4％效率（0.8 * -5V / -15V）。

案例2. 2分頻反相電荷泵電路

正電源：15V線性穩(wěn)壓至5V = 33％效率

負電源：15V倒置并除以2; V OUT = 6.25V。

在案例2中，由于肖特基二極管，電荷泵的效率略低，但線性穩(wěn)壓器的效率提高到大約80

除了裸露焊盤MSOP-16封裝（4.9mm×4mm封裝）外，LTC3260還采用節(jié)省空間的4mm x 3mm DFN-16封裝。其他凌力爾特公司的電荷泵和線性穩(wěn)壓器解決方案包括LTC3265（具有升壓和反相電荷泵的低噪聲雙電源解決方案和低噪聲±50mA線性后穩(wěn)壓器）和LTC3256（38V輸入電壓，降壓電荷泵轉(zhuǎn)換器）使用350mA電荷泵，然后使用250mA低噪聲線性穩(wěn)壓器）。所有這些解決方案均可提供低EMI，低噪聲，集成電源解決方案，適用于不希望采用基于電感的解決方案的應用。正如LTC3260電路所示，這種創(chuàng)新的電路設計技術(shù)可以提高效率。