無需磁性組件 － 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儲存元件以產(chǎn)生輸出電壓。以一種基本的充電泵電路“倍壓器”為例，它采用單個飛跨電容器和 4 個由一個兩相時鐘驅(qū)動的內(nèi)部開關(guān)來使輸入電壓倍增。 在該時鐘的第一個相位中，一對開關(guān)把飛跨電容器充電至輸入電壓 (VIN)。在該時鐘的第二個相位中，第三個開關(guān)把電容器的負端連接至 VIN，這實際上將在電容器的正端上產(chǎn)生 2 * VIN 的電壓。第四個開關(guān)則把飛跨電容器的正端連接至輸出電容器。在無負載條件下，電荷將在每個周期中轉(zhuǎn)移至輸出電容器，直到輸出充電至 2 * VIN 為止，從而實現(xiàn)了輸入電壓的倍增。當接入了一個輸出負載時，輸出電容器在第一個時鐘相位里提供負載電流，而飛跨電容器則在第二個相位期間提供負載電流并給輸出電容器充電。如欲啟動電荷轉(zhuǎn)移，則將輸出調(diào)節(jié)在一個略低于 2*VIN 的電壓。輸出電容器在時鐘兩個相位里的充電和放電將產(chǎn)生一個輸出紋波，此紋波與輸出電容器數(shù)值、時鐘頻率和輸出負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現(xiàn)方案都是在這種基本方案的基礎(chǔ)上通過增加 / 改變開關(guān)和電容器以及時鐘相位的數(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、反向和以分數(shù)對電壓做乘法運算或調(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撲)。當接近其理想的充電比時，充電泵的效率可以達到相當優(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)實當中，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用和市場區(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了一個小空缺，并可為那些有可能反對使用電感器的設(shè)計提供一種上佳的替代方案。相比于 LDO，充電泵的運作需要一個額外的電容器 (“飛跨”電容器)，但它不需要使用電感器，價格通常稍貴一些、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)生負電壓提供更大靈活性。當與傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器相比時，充電泵的輸出電流能力和效率較低。然而，充電泵的設(shè)計更簡單，而且不需要電感器。此外，工藝技術(shù)的進步還使充電泵的輸入電壓范圍較之先前的產(chǎn)品系列有所擴展。表 1 比較了不同拓撲的主要性能參數(shù)。

表 1：LDO、充電泵和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的性能對比

充電泵的設(shè)計和應用難題

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，這些電源并不適合驅(qū)動需要雙極性電源的運算放大器及其他電路，比如：為雙軌、低噪聲高電壓運算放大器供電就需要從單 +24V 電源獲得 ±15V 電壓軌。被驅(qū)動至接近其負電源軌的運算放大器其失真非常差。因此，擁有一個低于最低信號電平的負電源軌是合乎要求的，這樣可在運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要求并在局部位置上產(chǎn)生一個負輸出電源，以采用低噪聲后置穩(wěn)壓器來驅(qū)動運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) 與對噪聲敏感之電路的組合會造成潛在的干擾。傳統(tǒng)解決方案是盡量使噪聲發(fā)生電路遠離噪聲敏感電路。然而，現(xiàn)在的手持式產(chǎn)品中，設(shè)計非常緊湊，因此這一方法已經(jīng)不可行了。而通過增加屏蔽來解決問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。可是，如果這些諧波中的某個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，可填補這一空缺。

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

一款新穎而簡單的解決方案

凌力爾特開發(fā)了面向此類應用的簡單、卻不失精細的高電壓負輸出單片式充電泵 IC。LTC3260 和 LTC3261 是通用型充電泵。LTC3261 是一款高電壓負輸出充電泵，能提供高達 100mA 的輸出電流。而 LTC3260 則內(nèi)置了一個負輸出充電泵以及正和負 LDO 穩(wěn)壓器，每個 LDO 穩(wěn)壓器可利用低壓差電壓操作提供高達 50mA 的輸出電流。負 LDO 后置穩(wěn)壓器由負輸出充電泵的輸出供電。正和負 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。詳見圖 1 和圖 2。

圖 1：LTC3260 應用電路

圖 2：LTC3261 應用電路

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 88%)。以突發(fā)模式工作時，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 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、用于在啟動時防止產(chǎn)生過大電流的軟起動電路、以及短路和過熱保護。LTC3260 和 LTC3261 非常適用于各種應用，例如：用高電壓輸入產(chǎn)生的低噪聲雙極性 / 負輸出電源、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熱襯墊。LTC3261 采用 12 引腳 MSOP 封裝，也有底面導熱襯墊。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)計具備提供低噪聲性能的固有特性。該器件的高工作頻率實現(xiàn)了低輸出紋波。如圖 3 所示，LTC3260 的 LDO 進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算放大器和 ADC 驅(qū)動器等噪聲敏感型應用。

圖 3：LTC3260 的低輸出紋波性能

保護電路

LTC3260 具有內(nèi)置的短路電流限制和過熱保護功能電路。在短路情況下，該器件自動將其輸出電流限制在 160mA 左右。假如結(jié)溫超過約 175°C，則熱停機電路將禁止向輸出提供電流。當結(jié)溫回落至大約 165°C 時，將恢復向輸出提供電流。當熱保護電路處于運行狀態(tài)時，表明結(jié)溫超出了規(guī)定的操作范圍。熱保護功能針對的是超出正常操作范圍的短暫過載條件。在高于規(guī)定的最大工作結(jié)溫條件下連續(xù)運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 的特點和優(yōu)勢。

表 2：LTC3260 和 LTC3261 充電泵的特點和優(yōu)勢

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，減小了總體解決方案尺寸，而這反過來又可實現(xiàn)更加緊湊和簡單的設(shè)計。LTC3261 是 LTC3260 的一個子集，并提供了一個 100mA 的高電壓負輸出。因此，對于那些不喜歡使用電感器的設(shè)計師而言，他們可以采用簡單的高電壓充電泵取而代之。