什么是低噪聲反相降壓轉(zhuǎn)換器？

1.前言

我們是否需要負(fù)電壓來為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或放大器供電？這些類型的系統(tǒng)通常需要低噪聲來為這種敏感的模擬電路供電。雖然經(jīng)常使用線性穩(wěn)壓器 (LDO) 來實(shí)現(xiàn)低噪聲，但如果開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器本身可以提供低噪聲會(huì)怎樣？如果我們只能使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，則可以節(jié)省大量材料清單 (BOM) 成本、減少印刷電路板 (PCB) 空間并消除系統(tǒng)中的額外功率損耗。

如何做一個(gè)低噪聲的反向降壓轉(zhuǎn)換器 的工作？圖 1 顯示了TPS63710 的基本原理圖和典型波形。CP 和 SW 引腳之間的C CP電容器反轉(zhuǎn)電源電壓，然后進(jìn)一步下調(diào)。低側(cè) (LSD) 和整流 (RECT) MOSFET 提供同步整流以實(shí)現(xiàn)高效率。為了開始一個(gè)開關(guān)周期，高邊 (HSD) 和 RECT MOSFET 開啟以將 C CP充電至 V IN。充電后，HSD 和 RECT MOSFET 都打開，LSD MOSFET 關(guān)閉，以將 C CP的存儲(chǔ)能量傳送到輸出。調(diào)節(jié)占空比以提供低噪聲和穩(wěn)定的輸出電壓。

圖 1：低噪聲反相降壓轉(zhuǎn)換器 TPS63710 的簡化原理圖

低噪聲反向降壓轉(zhuǎn)換器是一個(gè)電壓逆變器——它產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓。因?yàn)樗且粋€(gè)反相降壓轉(zhuǎn)換器而不是一個(gè)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，所以輸出電壓（絕對值）必須始終低于輸入電壓才能進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

讓我們看看整個(gè)解決方案如何從其所有特征的組合中受益。圖 2 顯示了TPS63710 低噪聲反相降壓轉(zhuǎn)換器的完整原理圖。

圖 2：低噪聲反相降壓轉(zhuǎn)換器 TPS63710

在嘗試實(shí)現(xiàn)信號(hào)分辨率和本底噪聲等關(guān)鍵系統(tǒng)性能參數(shù)時(shí)，低噪聲是最重要的特性。無論是開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器還是其他電源，電源都不應(yīng)該給系統(tǒng)增加額外的噪聲，因?yàn)檫@種噪聲會(huì)出現(xiàn)在測量信號(hào)上并導(dǎo)致失真。該拓?fù)涞倪B續(xù)輸出電流和器件的 CAP 引腳使 TPS63710 能夠?qū)崿F(xiàn)極低的噪聲。

連續(xù)輸出電流是指電感與輸出級(jí)和負(fù)載串聯(lián)。這與典型的降壓 (buck) 轉(zhuǎn)換器相同，支持開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的低輸出電壓紋波。具體來說，這種拓?fù)涫馆敵鲭妷翰皇艽蠖鄶?shù)高頻噪聲的影響，否則會(huì)因輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL) 兩端的不連續(xù)輸出電流而產(chǎn)生，如傳統(tǒng)反相所見降壓-升壓拓?fù)? 雖然一些高于 100MHz 的高頻噪聲仍會(huì)通過電感器的繞組耦合，但我們可以使用鐵氧體磁珠輕松過濾此噪聲。與具有相同輸出濾波器的反相降壓-升壓拓?fù)湎啾?，反相降壓拓?fù)湓谄?1.5MHz 開關(guān)頻率下產(chǎn)生的開關(guān)紋波幅度更低。

此外，CAP 引腳降低了自生的低頻 1/f 噪聲，該噪聲通常來自 DC/DC 內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)（帶隙電壓）。外部電容器 (C CAP ) 與內(nèi)部電阻器形成低通濾波器，以實(shí)現(xiàn)低于 100kHz 的極小低頻噪聲，如圖 3 所示。這種降噪功能與高性能濾波器相同。 LDO 的降噪和軟啟動(dòng) (NR/SS) 引腳（例如在 TPS7A8300 中）是許多電信系統(tǒng)中最受關(guān)注的問題，因?yàn)檫@種噪聲出現(xiàn)在傳輸通道的帶寬內(nèi)并且難以濾除。在 DC/DC 中包含這個(gè) 1/f 噪聲濾波器可將低頻 1/f 噪聲降低到可接受的水平。

圖 3：低噪聲反相降壓轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲密度

最后，還有一個(gè)低噪聲開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以在單個(gè)反相步驟中創(chuàng)建那個(gè)笨重的負(fù)電源軌。