無(wú)需磁性組件 － 充電泵照樣能處理電壓!

背景

充電泵 (即開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器) 采用電容器作為能量?jī)?chǔ)存元件以產(chǎn)生輸出電壓。以一種基本的充電泵電路“倍壓器”為例，它采用單個(gè)飛跨電容器和 4 個(gè)由一個(gè)兩相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部開關(guān)來(lái)使輸入電壓倍增。 在該時(shí)鐘的第一個(gè)相位中，一對(duì)開關(guān)把飛跨電容器充電至輸入電壓 (VIN)。在該時(shí)鐘的第二個(gè)相位中，第三個(gè)開關(guān)把電容器的負(fù)端連接至 VIN，這實(shí)際上將在電容器的正端上產(chǎn)生 2 * VIN 的電壓。第四個(gè)開關(guān)則把飛跨電容器的正端連接至輸出電容器。在無(wú)負(fù)載條件下，電荷將在每個(gè)周期中轉(zhuǎn)移至輸出電容器，直到輸出充電至 2 * VIN 為止，從而實(shí)現(xiàn)了輸入電壓的倍增。當(dāng)接入了一個(gè)輸出負(fù)載時(shí)，輸出電容器在第一個(gè)時(shí)鐘相位里提供負(fù)載電流，而飛跨電容器則在第二個(gè)相位期間提供負(fù)載電流并給輸出電容器充電。如欲啟動(dòng)電荷轉(zhuǎn)移，則將輸出調(diào)節(jié)在一個(gè)略低于 2*VIN 的電壓。輸出電容器在時(shí)鐘兩個(gè)相位里的充電和放電將產(chǎn)生一個(gè)輸出紋波，此紋波與輸出電容器數(shù)值、時(shí)鐘頻率和輸出負(fù)載電流之間存在著某種函數(shù)關(guān)系。

所有其他的充電泵電路實(shí)現(xiàn)方案都是在這種基本方案的基礎(chǔ)上通過(guò)增加 / 改變開關(guān)和電容器以及時(shí)鐘相位的數(shù)目得出的。充電泵能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的 2 倍增、3 倍增、減半、反向和以分?jǐn)?shù)對(duì)電壓做乘法運(yùn)算或調(diào)節(jié) (例如：x3/2、x4/3、x2/3 等)，并產(chǎn)生任意的電壓 (取決于控制器和電路拓?fù)?。當(dāng)接近其理想的充電比時(shí)，充電泵的效率可以達(dá)到相當(dāng)優(yōu)良的水平。在上面的倍壓器示例中，輸入電源將等于兩倍的輸出負(fù)載電流，這樣在理想的情況下輸入功率與輸出功率相等。在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，由于靜態(tài)工作電流和其他損耗的原因效率將略低于理想值。充電泵的通用性使其可在眾多的應(yīng)用和市場(chǎng)區(qū)段中一顯身手。

充電泵在介于 LDO 和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的性能范圍中填補(bǔ)了一個(gè)小空缺，并可為那些有可能反對(duì)使用電感器的設(shè)計(jì)提供一種上佳的替代方案。相比于 LDO，充電泵的運(yùn)作需要一個(gè)額外的電容器 (“飛跨”電容器)，但它不需要使用電感器，價(jià)格通常稍貴一些、具有較高的輸出噪聲電平且輸出電流能力往往較低。然而，其優(yōu)于 LDO 之處也是很多的，例如：較高的效率、良好的熱管理 (因采用開關(guān)架構(gòu)所致)、并為升壓和降壓或產(chǎn)生負(fù)電壓提供更大靈活性。當(dāng)與傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器相比時(shí)，充電泵的輸出電流能力和效率較低。然而，充電泵的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，而且不需要電感器。此外，工藝技術(shù)的進(jìn)步還使充電泵的輸入電壓范圍較之先前的產(chǎn)品系列有所擴(kuò)展。表 1 比較了不同拓?fù)涞闹饕阅軈?shù)。

表 1：LDO、充電泵和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的性能對(duì)比

充電泵的設(shè)計(jì)和應(yīng)用難題

一些工業(yè)環(huán)境具有現(xiàn)成可用的單端、較高電壓電源。不過(guò)，這些電源并不適合驅(qū)動(dòng)需要雙極性電源的運(yùn)算放大器及其他電路，比如：為雙軌、低噪聲高電壓運(yùn)算放大器供電就需要從單 +24V 電源獲得 ±15V 電壓軌。被驅(qū)動(dòng)至接近其負(fù)電源軌的運(yùn)算放大器其失真非常差。因此，擁有一個(gè)低于最低信號(hào)電平的負(fù)電源軌是合乎要求的，這樣可在運(yùn)算放大器的輸出端上提供最低的失真。種類合適的充電泵可以滿足此項(xiàng)要求并在局部位置上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)輸出電源，以采用低噪聲后置穩(wěn)壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器或其他噪聲敏感型電路的電壓軌。

許多新式通信設(shè)備采用了靈敏的 RF 接收器，但是，噪聲發(fā)生器 (開關(guān)電源) 與對(duì)噪聲敏感之電路的組合會(huì)造成潛在的干擾。傳統(tǒng)解決方案是盡量使噪聲發(fā)生電路遠(yuǎn)離噪聲敏感電路。然而，現(xiàn)在的手持式產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)非常緊湊，因此這一方法已經(jīng)不可行了。而通過(guò)增加屏蔽來(lái)解決問(wèn)題在成本和體積兩方面都行不通。傳統(tǒng)開關(guān)電源的噪聲能量主要以集中的窄帶諧波形式表現(xiàn)出來(lái)?？墒?，如果這些諧波中的某個(gè)恰巧與某一敏感頻率 (例如：接收器的中頻 [IF] 通帶) 一致，就很可能造成干擾。充電泵提供了足夠低的噪聲門限，可填補(bǔ)這一空缺。

所有旨在滿足上述充電泵 IC 設(shè)計(jì)限制條件的解決方案都將整合一個(gè)具有穩(wěn)定輸出和低輸出噪聲的高效型高電壓充電泵。

一款新穎而簡(jiǎn)單的解決方案

凌力爾特開發(fā)了面向此類應(yīng)用的簡(jiǎn)單、卻不失精細(xì)的高電壓負(fù)輸出單片式充電泵 IC。LTC3260 和 LTC3261 是通用型充電泵。LTC3261 是一款高電壓負(fù)輸出充電泵，能提供高達(dá) 100mA 的輸出電流。而 LTC3260 則內(nèi)置了一個(gè)負(fù)輸出充電泵以及正和負(fù) LDO 穩(wěn)壓器，每個(gè) LDO 穩(wěn)壓器可利用低壓差電壓操作提供高達(dá) 50mA 的輸出電流。負(fù) LDO 后置穩(wěn)壓器由負(fù)輸出充電泵的輸出供電。正和負(fù) LDO 輸出電壓可采用外部電阻器分壓器分別調(diào)節(jié)至 1.2V 和 –1.2V。這兩款器件均在 4.5V 至 32V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。詳見(jiàn)圖 1 和圖 2。

圖 1：LTC3260 應(yīng)用電路

圖 2：LTC3261 應(yīng)用電路

LTC3260 和 LTC3261 的內(nèi)部充電泵皆可工作于低靜態(tài)電流的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 或低噪聲的恒定頻率模式 (效率高達(dá) 88%)。以突發(fā)模式工作時(shí)，充電泵輸出調(diào)節(jié)至 –0.94 • VIN。另外，在突發(fā)模式操作中，如果兩個(gè) LDO 都啟用，那么 LTC3261僅吸收 60μA 靜態(tài)電流，而 LTC3260 則只吸收 100μA。恒定頻率工作可提供低輸入和輸出紋波;在這種模式中，充電泵產(chǎn)生等于–VIN 的輸出，并以固定的 500kHz 頻率或用一個(gè)外部電阻器設(shè)定在 50kHz 至 500kHz 的頻率范圍內(nèi)工作。其他的 IC 特點(diǎn)包括很少的外部組件、采用陶瓷電容器可保持穩(wěn)定、用于在啟動(dòng)時(shí)防止產(chǎn)生過(guò)大電流的軟起動(dòng)電路、以及短路和過(guò)熱保護(hù)。LTC3260 和 LTC3261 非常適用于各種應(yīng)用，例如：用高電壓輸入產(chǎn)生的低噪聲雙極性 / 負(fù)輸出電源、工業(yè) / 儀表用低噪聲偏置電壓發(fā)生器、便攜式醫(yī)療設(shè)備和汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)。

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LTC3260 采用扁平 (高度僅 0.75mm) 3mm x 4mm 14 引腳 DFN 封裝和 16 引腳 MSOP 封裝，兩種封裝均有底面導(dǎo)熱襯墊。LTC3261 采用 12 引腳 MSOP 封裝，也有底面導(dǎo)熱襯墊。這兩款器件的工作結(jié)溫為 –40°C 至 +125°C。

低輸出紋波

LTC3260 的設(shè)計(jì)具備提供低噪聲性能的固有特性。該器件的高工作頻率實(shí)現(xiàn)了低輸出紋波。如圖 3 所示，LTC3260 的 LDO 進(jìn)一步抑制了這種紋波，可提供非常低噪聲的輸出 (<1mVp-p)，因而極其適合于諸如運(yùn)算放大器和 ADC 驅(qū)動(dòng)器等噪聲敏感型應(yīng)用。

圖 3：LTC3260 的低輸出紋波性能

保護(hù)電路

LTC3260 具有內(nèi)置的短路電流限制和過(guò)熱保護(hù)功能電路。在短路情況下，該器件自動(dòng)將其輸出電流限制在 160mA 左右。假如結(jié)溫超過(guò)約 175°C，則熱停機(jī)電路將禁止向輸出提供電流。當(dāng)結(jié)溫回落至大約 165°C 時(shí)，將恢復(fù)向輸出提供電流。當(dāng)熱保護(hù)電路處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，表明結(jié)溫超出了規(guī)定的操作范圍。熱保護(hù)功能針對(duì)的是超出正常操作范圍的短暫過(guò)載條件。在高于規(guī)定的最大工作結(jié)溫條件下連續(xù)運(yùn)作有可能損害器件的可靠性。

表 2 概要總結(jié)了凌力爾特新型充電泵 LTC3260 和 LTC3261 的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

表 2：LTC3260 和 LTC3261 充電泵的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

結(jié)論

由于電壓范圍有限且其性能在傳統(tǒng)上一直介于 LDO 和開關(guān)穩(wěn)壓器之間，因此充電泵在某些方面幾乎已經(jīng)被人們所淡忘。幸運(yùn)的是，凌力爾特推出了 LTC3260 和 LTC3261 高電壓充電泵，從而滿足了此類需求?？商峁?150mA 電流的 LTC3260 在小巧的占板面積內(nèi)具備諸多有用的特點(diǎn)，減小了總體解決方案尺寸，而這反過(guò)來(lái)又可實(shí)現(xiàn)更加緊湊和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。LTC3261 是 LTC3260 的一個(gè)子集，并提供了一個(gè) 100mA 的高電壓負(fù)輸出。因此，對(duì)于那些不喜歡使用電感器的設(shè)計(jì)師而言，他們可以采用簡(jiǎn)單的高電壓充電泵取而代之。