广告

交错式反相电荷泵——第一部分:用于低噪声负电压电源的新拓扑结构

2021-06-25 Jon Kraft,Steve Knoth,ADI公司 阅读:
本系列文章的第一部分将介绍一种从正电源产生这种低噪声负电压轨的新方法。首先简要说明负电压轨通常如何产生以及用在何处。然后,在介绍交错式反相电荷泵(IICP)拓扑之前,我们将讨论标准反相电荷泵。通过对IICP的输入和输出电压纹波的简短推导,强调其在低噪声系统中的特有优势。

简介

精密仪器仪表或射频(RF)电路中的噪声必须最小化,但由于这些系统的特性,降低噪声要应对许多挑战。例如,这些系统常常必须在宽输入电压范围内工作,同时要满足严格的电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)要求。此外,系统中挤满了电子元器件,因而存在空间限制且对热敏感。集成电路(IC)日益提高的复杂度导致这些系统需要更多的电源电压轨。生成所有这些电压轨,满足上述要求,并使整个系统保持低噪声,是一个艰巨任务。p8Hednc

ADI公司提供了多种多样的解决方案来产生低噪声电源。这些解决方案中的大多数设计用于产生正电压轨,只有很少的专用IC用于产生负电压。当负电压需要为低噪声器件(如RF放大器、开关和数据转换器ADC/DAC)供电时,选择范围特别有限。p8Hednc

本系列文章的第一部分将介绍一种从正电源产生这种低噪声负电压轨的新方法。首先简要说明负电压轨通常如何产生以及用在何处。然后,在介绍交错式反相电荷泵(IICP)拓扑之前,我们将讨论标准反相电荷泵。通过对IICP的输入和输出电压纹波的简短推导,强调其在低噪声系统中的特有优势。p8Hednc

该系列的第二部分将给出一个使用ADI公司新型ADP5600实现IICP的实际示例。首先通过测量电压纹波和电磁辐射骚扰来将此器件与标准反相电荷泵进行比较。然后使用第一部分中的公式来优化IICP性能,并开发出一种为低噪声RF电路供电的完整解决方案。p8Hednc

产生负电压的传统方法

为了产生负电压,通常采用以下两种方法之一:使用电感开关稳压器或使用电荷泵。电感开关稳压器利用电感或变压器产生负电压。这些磁转换器拓扑的例子有:反相降压、反相降压-升压和Ćuk。在解决方案尺寸、成本、效率、噪声产生和控制环路复杂性方面,每种拓扑都有其优点和缺点1, 2。一般而言,基于磁性元件的转换器适合需要较高输出电流(>100 mA)的应用。p8Hednc

对于所需输出电流小于100 mA的应用,电荷泵正转负(反相)DC-DC转换器可以非常小,并且EMI低,因为不需要电感或控制环路。它们只需要通过开关在电容之间移动电荷——将产生的电荷提供给输出。p8Hednc

因为电荷泵不使用任何磁性元件(电感或变压器),所以其EMI通常比感性开关拓扑要低。电感往往比电容大得多,非屏蔽电感还会像天线一样广播电磁辐射骚扰。相比之下,电荷泵中使用的电容不会产生比典型数字输出更多的EMI。电荷泵可以用短走线轻松布线,以减少天线面积和容性耦合,从而降低EMI。p8Hednc

表1比较了基于电感的开关稳压器和开关电容反相拓扑。p8Hednc

p8Hednc

传统反相电荷泵

传统反相电荷泵的配置如图1所示。p8Hednc

p8Hednc

图1.反相电荷泵原理图。p8Hednc

电荷泵的输出阻抗ROUT定义为电荷泵机制从输入到输出的等效电阻。它可以通过测量输入至输出电压差并除以负载电流来求得:p8Hednc

p8Hednc

对于反相电荷泵,GAIN = –1。p8Hednc

或者,等效输出电阻可以作为开关频率、开关电阻和反激电容大小的函数来计算,一般简化为:p8Hednc

p8Hednc

其中Σ14RON为四个开关电阻之和。p8Hednc

四个开关以相同频率fOSC工作,每个都在开关周期T的一半时间内处于导通状态,其中T = 1/fOSC。基于开关周期的两部分,可以将操作分为两个阶段,如图2所示。p8Hednc

2.电荷泵在每个操作阶段都要反相。p8Hednc

p8Hednc

3.反相电荷泵的时序图。p8Hednc

图3给出了电荷泵各阶段操作的电压和电流。在阶段1中,S1和S2闭合,S3和S4断开。这会将飞跨电容(CFLY)充电至+VIN的电压。在阶段2中,S1和S2断开,S3和S4闭合,来自CFLYIN流入CFLY,断续电流从CFLY流出到COUT。这会导致CIN和COUT上出现电压纹波,纹波可以计算如下:p8Hednc

p8Hednc

求解输出电压纹波可得:p8Hednc

p8Hednc

同样,输入电压纹波为:p8Hednc

p8Hednc

公式4和公式5说明,对于标准反相电荷泵,电压纹波是开关频率和输入(或输出)电容的函数。更高的频率和更高的电容会以1:1的关系减少纹波。然而,提高频率存在实际障碍——这会增加芯片的电流消耗,从而降低效率。p8Hednc

同样,成本和PCB面积常常会限制反相电荷泵的最大输入和输出电容。另请注意,反激电容在电荷泵的电压纹波中不起作用。p8Hednc

为了减少纹波,可以在电荷泵周围构建输入和输出滤波器,但这又会提高复杂性和电荷泵的输出电阻。不过,这些问题可以通过对标准反相电荷泵逆变器进行改进来解决:交错式反相电荷泵(IICP)。p8Hednc

交错式反相电荷泵(IICP)

相位交错广泛用于感性开关稳压器(即多相操作)中,目的是减少输出电压纹波3。以恰好50%的占空比交错的2相降压转换器,理论上产生0 mV的输出电压纹波。当然,稳压降压转换器的占空比会随输入和输出电压而变化,因此只有VIN = 2 VOUT时才能实现50%的占空比。电荷泵通常以恰好50%的占空比工作,因此,交错式电荷泵逆变器值得考虑。/p>p8Hednc

当裸片上需要极低电流的负轨时,有时会在IC内使用交错式电荷泵,但目前尚无商用的专用IICP反相DC-DC转换器。IICP的结构需要两个电荷泵和两个飞跨电容。第二电荷泵与第一电荷泵以180°错相操作开关。我们来看一下IICP的设置和输出纹波,并重点说明如何优化其性能。设置如图4所示,时序图如图5所示。p8Hednc

p8Hednc

4.交错式反相电荷泵。p8Hednc

p8Hednc

5.交错式反相电荷泵的时序图。p8Hednc

在振荡器的每一相中,飞跨电容之一连接到VIN,另一个连接到VOUT。乍一看,有人可能会认为添加第二个电容只会将电压纹波减小一半。但是,这是不准确的过度简化。实际上,输入和输出电压纹波可能远小于标准逆变器,因为电容始终从输入端充电并向输出端放电。从IICP输出电压纹波的推导过程可以更好地理解这一点。p8Hednc

IICP输出电压纹波推导

由于IICP总是有一个飞跨电容向输出提供电流,因此可以简化其输出级,如图6所示。p8Hednc

p8Hednc

此外,IICP的输出电阻(如公式1所定义)可近似为:p8Hednc

p8Hednc

其中Σ18RON为开关电阻之和。p8Hednc

将电流加到ILOAD中,我们得出:p8Hednc

p8Hednc

其中dt等于开关周期的四分之一(T/4或1/(4 × fOSC))。输出电压纹波∆VOUT为dVOUT,VCFLY(t)为CFLY两端的电压差。我们可以合理地假设,相对于飞跨电容电压纹波,输出电压纹波很小。为了计算∆VOUT,我们需要了解VCFLY(t)。从图6可知,IFLY等于流经两个导通开关的电流。每个开关有RON的电阻。所以:p8Hednc

p8Hednc

为了求解VCFLY(t)的这个微分方程,必须知道至少一个初始条件。此条件可通过查阅图5中的时序图得知。请注意,从t = 0到t = T/4,两个CFLY电容均向ILOAD提供电流,并对COUT充电。然后,从t = T/4到t = T/2,CFLY和COUT向输出负载提供电流。在t = T/4(及类似的t = 3/4 T)时刻,COUT对ILOAD的贡献恰好为0。所以,此时ILOAD等于IFLY,而VCFLY的电压为:p8Hednc

p8Hednc

使用公式8和公式9,我们可以微分求解VCFLY(t):p8Hednc

p8Hednc

为了求得公式7的VCFLY变化量,取两个点(例如t = 0和t = T/4),对每个点求解公式10。结果简化为:p8Hednc

p8Hednc

结合公式11和公式7,求解∆VOUT得出:p8Hednc

p8Hednc

公式12的影响最初可能并不明显。先通过考虑理想开关的情况(RON = 0Ω)来简化它可能会有帮助。这样做会使第二项接近于零,仅留下第一项。第一项非常类似于标准反相电荷泵纹波(公式4),但IICP的双飞跨电容使分母增大2倍。两倍的电荷泵使波纹减半。该结果与直观判断一致。p8Hednc

但是,公式12的重要部分是后半部分。注意第二项的负号,这意味着该部分会减小输出电压纹波。重点看导通电阻(RON)和飞跨电容(CFLY)。在标准反相电荷泵中,这些项在降低输出电压纹波方面不起作用。但在IICP中,导通电阻会起到让充电和放电电流平滑的作用。双飞跨电容使这种充电/放电动作不会中断。p8Hednc

输出电压纹波验证

我们可以利用电路仿真来检查公式12的准确性以及用于推导该公式的假设的有效性。使用LTspice®很容易完成这项工作。该仿真的原理图如图7所示,文件可供 下载p8Hednc

在多种条件下进行了比较,结果汇总于表2。p8Hednc

2.各种配置的理论结果与LTspice仿真结果的比较p8Hednc

p8Hednc

表2显示,公式12与仿真非常接近,从而验证了简化公式时所做假设的有效性。现在,我们可以使用该公式权衡在IICP实现中不同做法的利弊。p8Hednc

比较IICP和标准电荷泵的电压纹波也很有帮助。在本系列的第二部分中,我们将展示这些不同的平台实验数据的差异性。但现在,图8中的LTspice模型可以说明输出电压纹波的差异。p8Hednc

p8Hednc

7.LTspice中的交错式反相电荷泵。p8Hednc

p8Hednc

8.IICP与常规电荷泵的输出电压纹波比较:VIN = 12 VILOAD = 50 mACFLY = 2.2 µFCOUT = 4.7 µFRON = 3 Ω。为了直观地与常规电荷泵进行比较,其RON减半且CFLY加倍。p8Hednc

IICP拓扑优化

推导完IICP公式并证明其有效性后,我们得出两个主要结论:对于IICP,导通电阻(RON)会同时减少输入和输出电压纹波,这是很理想的结果。相反,在标准反相电荷泵中,导通电阻是完全不适宜的,因为它会增加电荷泵的ROUT,而且不会降低纹波电压。实际上,我们可以在反激电容上串联一个电阻来进一步增加导通电阻。这就为我们以增加电荷泵电阻为代价来减少输入和输出电压纹波提供了一种手段。在本系列第二部分讨论IICP的使用案例时,我们会进一步探讨这种手段。p8Hednc

其次,可以优化飞跨电容的值及其与COUT的比率,以进一步优化纹波。例如,小型封装的大输出电容可能很难找到,而且在较高电压下电容会明显降额。但是,通过减小COUT,然后增大CFLY,可以获得相同的输出电压纹波,而电容值更容易获得。例如,不需要CFLY = 1 µF且COUT = 10 µF,而是将它们都设置为2.2 µF,两种情况下获得的输出电压纹波几乎相同。与10 µF/25 V电容相比,小型封装的2.2 µF/25 V电容更容易获得。第二部分中的示例应用对此进行了探讨。p8Hednc

结论

以上是关于交错式反相电荷泵拓扑的系列文章(分两部分)的第一部分。本部分介绍了IICP拓扑的一般概念,包括输入/输出电压纹波计算。输入/输出纹波公式的推导得出了关于如何优化IICP解决方案性能的重要见解。p8Hednc

本系列的第2部分将介绍ADP5600,这是一款用于IICP拓扑的集成解决方案。我们将测量其性能,并与标准反相电荷泵进行比较。最后,我们将把所有相关内容组合在一起来为一个低噪声相控阵波束成型解决方案供电。p8Hednc

参考电路

1Jaino Parasseril。 “如何使用μModule降压稳压器从正输入产生负输出电压” 。凌力尔特。p8Hednc

2Kevin Scott and Jesus Rosales。“Ćuk组合式转换器和反相电荷泵转换器之间的区别” 。ADI公司。p8Hednc

3Majing Xie。 “大功率、单电感、表贴降压-升压µModule稳压器处理36 VIN、10 A负载” 。凌力尔特,2008年3月。p8Hednc

作者

p8Hednc

Jon Kraftp8Hednc

Jon Kraft是高级现场应用工程师,工作地点在科罗拉多州,已在ADI公司工作了13年。他主要致力于软件定义无线电和航空航天相控阵雷达应用。他拥有罗斯豪曼理工学院电子工程学士学位和亚利桑那州立大学电子工程硕士学位。他拥有九项专利,六项与ADI相关,一项正在申请中。p8Hednc

p8Hednc

Steve Knothp8Hednc

Steve Knoth 是ADI公司Power by Linear™部门的高级产品营销工程师。他负责所有电源管理集成电路(PMIC)产品、低压差稳压器(LDO)、电池充电器、电荷泵、基于电荷泵的发光二极管驱动器、超级电容器充电器、低压单片开关稳压器和理想二极管器件。Steve从1990年起在MicroPower Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor担任过多种营销和产品工程职位,之后于2004年加入ADI公司(以前的凌力尔特公司)。他于1988年获得圣何塞州立大学电气工程学士学位,并于1995年获得该大学物理学硕士学位。2000年,Steve还获得了凤凰城大学技术管理硕士学位(MBA)。除了与孩子们一起享受美好时光之外,Steve还喜欢玩弹球/街机游戏或肌肉车,以及购买、出售、收藏古董玩具和电影/体育/汽车纪念品。p8Hednc

(原文标题:The Interleaved Inverting Charge Pump—Part 1: A New Topology for Low Noise Negative Voltage Supplies)p8Hednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 小型太阳能光伏电源的串联与并联线性稳压对比 对小型太阳能光伏阵列而言,使用线性稳压方案会比较简单。本设计实例将针对此类系统解读,重点关注串联稳压器拓扑与并联稳压器拓扑的相对优势。
  • 绿色出行:英飞凌CoolSiC功率模块可将有轨电车的能耗降 为了满足绿色出行的要求,业界必须以提高能源效率为主要目标,进行新技术开发。顺应这一发展趋势,英飞凌科技即将推出采用XHP 2封装的CoolSiC MOSFET和.XT技术的功率半导体,这款专门定制的解决方案旨在满足轨道交通市场的需求。
  • 使用BLDC电机助力机械扫描激光雷达实现360度视场 激光雷达系统的视场 (FOV) 决定了激光雷达能够捕捉到的图像的宽度,因此该视场对于自动驾驶决策算法十分重要。扩大FOV的方法有很多种,其中之一就是利用机械扫描,使用电机帮助实现360度FOV。无刷直流 (BLDC) 电机可以实现此目标,且高效低噪,因此广受欢迎。
  • 如何设计小型USB-C PD和PPS适配器 为了实现先进的USB电源协议,除了反激式控制器外,设计工程师还需要使用专用的USB控制器或微控制器。这两个IC之间还需要低时延通信,确保整个解决方案符合USB协议。
  • HT7181 3.7V/7.4V升16V内置MOS大功率升压IC解决方案 深圳市永阜康科技有限公司针对升压值18V以下的DC-DC升压应用需求,推广一款集成14A开关管的17.8V输出、大电流非同步DC-DC升压IC:HT7181。
  • SMPS电感的安装方向会影响辐射吗? 开关模式电源(SMPS)产生的EMI辐射频谱是由许多参数组成的函数,包括热回路大小、开关速度(压摆率)和频率、输入和输出滤波、屏蔽、布局和接地。一个潜在的辐射源是开关节点,在很多原理图上称为SW。SW节点铜可用作天线,发射快速高效的高功率开关事件产生的噪声。这是大多数开关稳压器的主要辐射源。
  • PCIe 5.0连接器线缆详细信息曝光,最高支持600W 日前,Twitter 用户@momomo_us透露了进一步研究 PCIe Gen 5.0 连接器标准的图片和内容。根据泄漏者 @momom_us 发布的 PPT显示,即将推出的 PCIe Gen5 显卡标准官方名称为“12VHPWR”,负责定义 ATX 规格的英特尔数据显示,该接口将支持 4 种电源配置,分别为 150W、300W、450W、600W。
  • 如何使用LTspice仿真来解释电压依赖性影响 问题:如何在电路仿真中考虑多层陶瓷电容器(MLCC)的直流偏置影响?答案:使用LTspice的非线性电容功能和合理的模型。
  • 大联大世平集团推出基于CPS产品的50W车载无线充电方案 大联大控股宣布,其旗下世平推出基于易冲半导体(CPS)CPSQ8100芯片的50W车载无线充电方案。
  • 英飞凌推出新一代MOTIX半桥驱动IC 继发布BTN89xx获得成功之后,英飞凌科技再次推出了全新的MOTIX BTN99xx(NovalithIC+)系列智能半桥驱动集成芯片。
  • 细说车载充电机的功能与趋势 考虑到车载充电机(OBC)的整体硬件功能模块,设计人员应解决以下问题:对交流电源输入进行交流整流和功率因素校正(PFC);初级侧DC-DC;次级侧整流(无源或有源);如果是双向的,还要进行次级DC-DC控制…
  • 如何为SiC MOSFET选择合适的栅极驱动器 尽管碳化硅(SiC)具有开关速度更快和效率更高等一系列优势,但它也带来了一些设计挑战,我们可以通过选择合适的栅极驱动器来予以解决。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了