與基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器相比 高壓充電泵可簡化電源轉(zhuǎn)換

背景信息

充電泵 (或稱開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器) 填補(bǔ)了線性穩(wěn)壓器和基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器之間的性能空白，為不喜歡電感器的工程師提供了另一種設(shè)計(jì)選擇。與 LDO 相比，充電泵需要一個(gè)額外的電容器 (“浮動(dòng)”電容器) 才能工作，但一般來說成本僅略有增加，同時(shí)充電泵具有更高的輸出噪聲電平，而且輸出電流能力通常較弱。不過，充電泵也有一些線性穩(wěn)壓器所沒有的優(yōu)勢，例如效率更高、由于較高效率工作而產(chǎn)生更好的熱量管理、能夠升壓和降壓或者產(chǎn)生負(fù)電壓。當(dāng)與常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器相比較時(shí)，充電泵的輸出電流能力較弱，效率較低。但是充電泵更簡單，易于設(shè)計(jì)，而且不需要電感器。最近在工藝技術(shù)領(lǐng)域取得的進(jìn)步使得能夠相對于以前各代產(chǎn)品擴(kuò)大了充電泵的輸入電壓范圍。表 1 比較了上述各種拓?fù)涞年P(guān)鍵性能參數(shù)。

表 1：LDO、充電泵和開關(guān)穩(wěn)壓器的性能比較

充電泵 IC 用電容器作為儲(chǔ)能元件來產(chǎn)生輸出電壓。例如，考慮圖 1 所示的基本“倍壓器”充電泵電路。該電路采用單個(gè)浮動(dòng)電容器 (圖中的 CFLY) 和 4 個(gè)由兩相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部開關(guān) (內(nèi)有“x”的圓圈)，產(chǎn)生比輸入電壓大一倍的輸出電壓。在時(shí)鐘的第一個(gè)相位 (圖中的 θ1)，一對開關(guān)給浮動(dòng)電容器充電，使其達(dá)到輸入電壓 (VIN)。在時(shí)鐘的第二個(gè)相位 (圖中的 θ2)，第三個(gè)開關(guān)將該電容器的負(fù)端連接至 VIN，在電容器的正端有效地產(chǎn)生 2 * VIN。第四個(gè)開關(guān)將浮動(dòng)電容器的正端連接到輸出電容器。在無負(fù)載情況下，電荷將在每個(gè)周期中傳送到輸出電容器，直至輸出充電至 2 * VIN 為止，從而產(chǎn)生等于兩倍輸入電壓。當(dāng)存在輸出負(fù)載時(shí)，輸出電容器 (圖中的 COUT) 在第一個(gè)相位上提供負(fù)載電流，而在第二個(gè)相位上，浮動(dòng)電容器提供負(fù)載電流，并給輸出電容器充電。為了傳送電荷，輸出將穩(wěn)定在一個(gè)略低于 2 * VIN 的電壓上。輸出電容器在兩個(gè)時(shí)鐘相位上的充電和放電產(chǎn)生了輸出紋波，該紋波是輸出電容器值、時(shí)鐘頻率和輸出負(fù)載電流的函數(shù)，

圖 1：基本的充電泵倍壓器電路

其他所有充電泵電路拓?fù)涠际且赃@一基本電路為基礎(chǔ)的，只是增加 / 改變開關(guān)和電容器以及時(shí)鐘相位數(shù)量而已。視控制器和電路拓?fù)涞牟煌煌?，充電泵可以產(chǎn)生任意大小的輸出電壓，例如 2 倍、3 倍于輸入電壓的輸出電壓，等于輸入電壓一半的輸出電壓、負(fù)輸出電壓，與輸入電壓成分?jǐn)?shù)比例的輸出電壓，如等于輸入電壓 3/2、4/3、2/3 的輸出電壓。在接近理想充電比時(shí)，充電泵的效率可以非常高。在上述的倍壓器例子中，理想情況下，輸入電源電流等于輸出負(fù)載電流的兩倍，輸入功率等于輸出功率?，F(xiàn)實(shí)情況是，由于靜態(tài)工作電流和其他損耗，效率略低于理想情況。充電泵用途廣泛，可用于多種應(yīng)用和細(xì)分市場。充電泵由于采用了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方法而更加堅(jiān)固，為應(yīng)用于嚴(yán)酷的工業(yè)和汽車環(huán)境創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

汽車和工業(yè)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)極富挑戰(zhàn)性，原因有很多，包括寬工作溫度范圍、嚴(yán)格的 EMI (電磁干擾) 和瞬態(tài)要求以及汽車 OEM (原始設(shè)備制造商) 所要求的高質(zhì)量。汽車儀表板內(nèi)非常擁擠，塞滿了電子產(chǎn)品。雪上加霜的是，還有從藍(lán)牙到基于手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接等各種無線系統(tǒng)。因此，當(dāng)務(wù)之急是，給這種散熱受限的環(huán)境增加任何組件，都要注意不能產(chǎn)生過多的熱量或太大的 EMI。對于輻射型和傳導(dǎo)型電磁干擾、抗輻射和傳導(dǎo)性或輻射和傳導(dǎo)敏感性以及靜電放電 (ESD)，都有嚴(yán)格的電磁兼容性 (EMC) 要求。能否滿足這些要求影響到 IC 設(shè)計(jì)的多種性能。充電泵 (無磁性元件，無電感器) 的低 EMI 和低噪聲輸出使其成為理想選擇。充電泵一般比電感性開關(guān)的 EMI 低，因?yàn)楦?dòng)電容器的連接線可以最大限度地縮短，以減輕容性耦合和天線效應(yīng)。電感器往往比電容器大，其作用如同天線，尤其是未屏蔽時(shí)。在現(xiàn)實(shí)情況下，與典型數(shù)字輸出相比，浮動(dòng)電容器輸出根本不會(huì)產(chǎn)生更高的 EMI。實(shí)際上，它們產(chǎn)生的 EMI 反而更低，因?yàn)殡娐钒遄呔€被盡量縮短了。[!--empirenews.page--]

先來看一下寬工作溫度范圍這個(gè)問題，電源 IC 在兩個(gè)方面受到了挑戰(zhàn)。首先是電源轉(zhuǎn)換，即使在中高效率時(shí)，電源轉(zhuǎn)換也要消耗一定量的功率，將其轉(zhuǎn)化為熱量。再加上很寬的環(huán)境工作溫度范圍這一挑戰(zhàn)，這類 IC 的最高結(jié)溫常常能超過 125ºC。即使車身中的電子產(chǎn)品不在汽車的引擎罩內(nèi)，密封塑料封裝的電子控制模塊內(nèi)部的環(huán)境溫度也能達(dá)到 95ºC。由于這些溫度挑戰(zhàn)，許多額定工作溫度為 85ºC 甚至 125ºC 的 IC 都不足以在高溫下持續(xù)工作。因此，在許多這類應(yīng)用中，要求 IC 能夠在溫度高達(dá) +150ºC 時(shí)正常工作。

然而，在汽車環(huán)境中還有進(jìn)一步的挑戰(zhàn) (例如較寒冷的環(huán)境溫度)，這就要求能夠升壓至 5V 或者安然度過低壓冷車發(fā)動(dòng) (~3V) 至 5V 的轉(zhuǎn)換，在這種情況下，輸入可能低于所希望的輸出。這時(shí)通常需要既能夠降壓又能夠升壓的器件。此外，連接到汽車電池輸入的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須承受由交流發(fā)電機(jī)電壓的偶然偏移或汽車猛然啟動(dòng)引起的寬電壓擺幅。因此，這里需要提供輸入電壓瞬態(tài)保護(hù)功能的器件。工業(yè)市場與汽車市場有類似的要求，在極端溫度和寬電源電壓范圍方面要求尤其苛刻。

總之，汽車和工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的主要挑戰(zhàn)如下：

平衡功耗與高溫工作

抵抗輻射和傳導(dǎo)噪聲，具有低輻射

處理大的電壓瞬態(tài)擺幅

在低壓冷車發(fā)動(dòng)情況下調(diào)節(jié) 5V 或 (3.3V)

最大限度地減小解決方案尺寸和占板面積

解決這些設(shè)計(jì)問題的傳統(tǒng)方法是整合高壓降壓和升壓型開關(guān)，或真正的 4 開關(guān)降壓-升壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。然而這類解決方案可能尺寸很大，成本高昂，同時(shí)常常需要額外的措施來避免 EMI 問題。滿足上述限制的另一種解決方案運(yùn)用高效率、高壓降壓型充電泵或降壓-升壓型充電泵，這些充電泵具備廣泛的保護(hù)功能、高溫工作能力和高效率。而且，它們僅需要 3 個(gè)小型電容器。

簡單的高壓解決方案

凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)出簡單、創(chuàng)新的高壓單片降壓-升壓型和降壓型充電泵 IC，專門用于汽車和工業(yè)應(yīng)用。

第一款這類器件是 LTC3245，這是一款通用型 250mA 高壓降壓-升壓型充電泵。它運(yùn)用開關(guān)電容器分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換方法，以在 2.7V 至 38V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)壓，并產(chǎn)生 3.3V、5V 或 2.5V 至 5V 可調(diào)的穩(wěn)定輸出。內(nèi)部電路自動(dòng)選擇轉(zhuǎn)換率 (2:1、1:1 或 1:2)，以在輸入電壓和負(fù)載狀況變化時(shí)優(yōu)化效率。很小的工作電流 (無負(fù)載時(shí)為 18μA，停機(jī)時(shí)為 4μA) 和很少的外部組件 (3 個(gè)小型陶瓷電容器，無電感器) 使 LTC3245 非常適用于低功率、空間受限的應(yīng)用，例如汽車 ECU / CAN 收發(fā)器電源、工業(yè)內(nèi)務(wù)處理電源和高效率低功率 12V 至 5V 轉(zhuǎn)換。參見以下圖 2 的典型應(yīng)用電路。

圖 2：LTC3245 典型應(yīng)用電路

與傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器相比，LTC3245 的獨(dú)特恒定頻率架構(gòu)提供更低的傳導(dǎo)和輻射噪聲。該器件能夠以引腳可選的突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，這使用戶能夠選擇略為增加輸出紋波以換取較高效率 / 降低靜態(tài)電流。該 IC 的其他特點(diǎn)包括很少的外部組件以及用陶瓷電容器可穩(wěn)定、防止啟動(dòng)時(shí)電流過大的軟啟動(dòng)電路、以及短路和過熱保護(hù)。

LTC3245 采用具有底面導(dǎo)熱焊盤的扁平 (0.75mm) 3mm x 4mm 12 引線 DFN 封裝和具有底面導(dǎo)熱焊盤的 12 引線 MSOP 封裝。E 級(jí)和 I 級(jí)版本的工作結(jié)溫為 -40ºC 至 +125ºC，而 H 級(jí)版本為 -40ºC 至 +150ºC，MP 級(jí)版本為 -55ºC 至 +150ºC。

表 2 總結(jié)了 LTC3245 的功能和優(yōu)勢。

表 2：LTC3245 的功能和優(yōu)勢[!--empirenews.page--]

LTC3255 降壓型充電泵

LTC3255 與 LDO 一樣堅(jiān)固，但比開關(guān)穩(wěn)壓器簡單。該器件是一款通用高壓降壓型開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器，提供高達(dá) 50mA 的輸出電流。在輸入電壓超過輸出電壓兩倍的應(yīng)用中，充電泵的效率將近等效線性穩(wěn)壓器的兩倍，提供了一種節(jié)省空間的無電感器型解決方案，可替代開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器。LTC3255 產(chǎn)生 2.4V 至 12.5V 的穩(wěn)定輸出，可在 4V 至 48V 的寬輸入范圍內(nèi)運(yùn)作，輸入容限為 +60V/-52V。無負(fù)載時(shí)，突發(fā)模式工作將 VIN 靜態(tài)電流降至僅為 16µA，2:1 的容性充電泵增強(qiáng)了輸出電流能力，使其達(dá)到輸入電流的兩倍左右。LTC3255 適用于多種應(yīng)用，例如工業(yè)控制、工廠自動(dòng)化、傳感器和監(jiān)察控制以及數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)、內(nèi)務(wù)處理電源、以及適用于 4mA 至 20mA 工業(yè)電流環(huán)路的電流提升型穩(wěn)壓器。參見圖 3。

圖 3：LTC3255 應(yīng)用電路 — 4mA ~ 20mA 電流環(huán)路

LTC3255 或者作為通用降壓型充電泵使用，轉(zhuǎn)換率為 2:1 或 1:1，或者作為電流倍增并聯(lián)穩(wěn)壓器使用。以通常模式工作時(shí)，根據(jù) VIN、VOUT 和負(fù)載情況選擇轉(zhuǎn)換率，這時(shí)轉(zhuǎn)換模式之間的切換是自動(dòng)進(jìn)行的。以并聯(lián)模式工作時(shí)，該器件被強(qiáng)制進(jìn)入 2:1 模式，從而能從電流源輸入提供穩(wěn)定的輸出電壓，可提供將近兩倍于輸入電流至負(fù)載。例如，這種功能使 4mA 電流環(huán)路能夠以 3.3V 的穩(wěn)定輸出電壓連續(xù)提供 7.4mA 負(fù)載電流。LTC3255 能夠承受低至 -52V 的反向輸入電源和輸出短路而不被損壞。安全功能包括輸出電流限制和過壓保護(hù)，這進(jìn)一步增強(qiáng)了堅(jiān)固性。

LTC3255 采用扁平 (0.75mm) 3mm x 3mm 10 引線 DFN 和 10 引線 MSOP 封裝，兩種封裝都有底面金屬焊盤，以增強(qiáng)導(dǎo)熱性能。E 級(jí)和 I 級(jí)版本的工作結(jié)溫為 -40ºC 至 +125ºC。H 級(jí)版本的工作結(jié)溫為 -40ºC 至 +150ºC，而高可靠性 MP 級(jí)版本規(guī)定在 -55ºC 至 +150ºC 的溫度范圍內(nèi)工作。

表 3 總結(jié)了 LTC3255 的功能和優(yōu)勢。

表 3：LTC3255 的功能和優(yōu)勢

表 4 總結(jié)了凌力爾特最新高壓充電泵系列產(chǎn)品。

表 4：凌力爾特下一代高壓充電泵系列

結(jié)論

充電泵現(xiàn)在已經(jīng)走向成熟。由于有限的電壓范圍以及歷史上其性能處在 LDO 和開關(guān)穩(wěn)壓器之間，所以在某些方面，充電泵幾乎被遺忘了。然而，創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法已經(jīng)提升了充電泵的性能和功能，其中包括降壓-升壓型架構(gòu)、廣泛的輸入瞬態(tài)保護(hù)以及能夠在 4mA 至 20mA 環(huán)路應(yīng)用中倍增電流。視工作條件的不同而不同，充電泵達(dá)到了接近開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。因此，確實(shí)沒有理由不在高壓設(shè)計(jì)中使用充電泵。