ADI公司提供了多種多樣的解決方案來(lái)產(chǎn)生低噪聲電源。這些解決方案中的大多數設計用于產(chǎn)生正電壓軌，只有很少的專(zhuān)用IC用于產(chǎn)生負電壓。當負電壓需要為低噪聲器件（如RF放大器、開(kāi)關(guān)和數據轉換器ADC/DAC）供電時(shí)，選擇范圍特別有限。

 

本系列文章的第一部分將介紹一種從正電源產(chǎn)生這種低噪聲負電壓軌的新方法。首先簡(jiǎn)要說(shuō)明負電壓軌通常如何產(chǎn)生以及用在何處。然后，在介紹交錯式反相電荷泵(IICP)拓撲之前，我們將討論標準反相電荷泵。通過(guò)對IICP的輸入和輸出電壓紋波的簡(jiǎn)短推導，強調其在低噪聲系統中的特有優(yōu)勢。

 

該系列的第二部分將給出一個(gè)使用ADI公司新型ADP5600實(shí)現IICP的實(shí)際示例。首先通過(guò)測量電壓紋波和電磁輻射騷擾來(lái)將此器件與標準反相電荷泵進(jìn)行比較。然后使用第一部分中的公式來(lái)優(yōu)化IICP性能，并開(kāi)發(fā)出一種為低噪聲RF電路供電的完整解決方案。

 

產(chǎn)生負電壓的傳統方法

 

為了產(chǎn)生負電壓，通常采用以下兩種方法之一：使用電感開(kāi)關(guān)穩壓器或使用電荷泵。電感開(kāi)關(guān)穩壓器利用電感或變壓器產(chǎn)生負電壓。這些磁轉換器拓撲的例子有：反相降壓、反相降壓-升壓和?uk。在解決方案尺寸、成本、效率、噪聲產(chǎn)生和控制環(huán)路復雜性方面，每種拓撲都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)^{1, 2}。一般而言，基于磁性元件的轉換器適合需要較高輸出電流(>100 mA)的應用。

 

對于所需輸出電流小于100 mA的應用，電荷泵正轉負（反相）DC-DC轉換器可以非常小，并且EMI低，因為不需要電感或控制環(huán)路。它們只需要通過(guò)開(kāi)關(guān)在電容之間移動(dòng)電荷——將產(chǎn)生的電荷提供給輸出。

 

因為電荷泵不使用任何磁性元件（電感或變壓器），所以其EMI通常比感性開(kāi)關(guān)拓撲要低。電感往往比電容大得多，非屏蔽電感還會(huì )像天線(xiàn)一樣廣播電磁輻射騷擾。相比之下，電荷泵中使用的電容不會(huì )產(chǎn)生比典型數字輸出更多的EMI。電荷泵可以用短走線(xiàn)輕松布線(xiàn)，以減少天線(xiàn)面積和容性耦合，從而降低EMI。

 

表1比較了基于電感的開(kāi)關(guān)穩壓器和開(kāi)關(guān)電容反相拓撲。

 

表1.磁電荷泵與反相電荷泵的比較

 

傳統反相電荷泵

 

傳統反相電荷泵的配置如圖1所示。

 

圖1.反相電荷泵原理圖。

 

電荷泵的輸出阻抗R_OUT定義為電荷泵機制從輸入到輸出的等效電阻。它可以通過(guò)測量輸入至輸出電壓差并除以負載電流來(lái)求得：

 

 

對于反相電荷泵，GAIN = –1。

 

或者，等效輸出電阻可以作為開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)電阻和反激電容大小的函數來(lái)計算，一般簡(jiǎn)化為：

 

 

其中

 

 

為四個(gè)開(kāi)關(guān)電阻之和。

 

四個(gè)開(kāi)關(guān)以相同頻率f_OSC工作，每個(gè)都在開(kāi)關(guān)周期T的一半時(shí)間內處于導通狀態(tài)，其中T = 1/f_OSC?；陂_(kāi)關(guān)周期的兩部分，可以將操作分為兩個(gè)階段，如圖2所示。

 

圖2.電荷泵在每個(gè)操作階段都要反相。

 

圖3.反相電荷泵的時(shí)序圖。

 

圖3給出了電荷泵各階段操作的電壓和電流。在階段1中，S1和S2閉合，S3和S4斷開(kāi)。這會(huì )將飛跨電容(C_FLY)充電至+V_IN的電壓。在階段2中，S1和S2斷開(kāi)，S3和S4閉合，來(lái)自C_FLYIN流入C_FLY，斷續電流從C_FLY流出到C_OUT。這會(huì )導致C_IN和C_OUT上出現電壓紋波，紋波可以計算如下：

 

 

求解輸出電壓紋波可得：

 

 

同樣，輸入電壓紋波為：

 

 

公式4和公式5說(shuō)明，對于標準反相電荷泵，電壓紋波是開(kāi)關(guān)頻率和輸入（或輸出）電容的函數。更高的頻率和更高的電容會(huì )以1:1的關(guān)系減少紋波。然而，提高頻率存在實(shí)際障礙——這會(huì )增加芯片的電流消耗，從而降低效率。/p>

 

同樣，成本和PCB面積常常會(huì )限制反相電荷泵的最大輸入和輸出電容。另請注意，反激電容在電荷泵的電壓紋波中不起作用。

 

為了減少紋波，可以在電荷泵周?chē)鷺嫿ㄝ斎牒洼敵鰹V波器，但這又會(huì )提高復雜性和電荷泵的輸出電阻。不過(guò)，這些問(wèn)題可以通過(guò)對標準反相電荷泵逆變器進(jìn)行改進(jìn)來(lái)解決：交錯式反相電荷泵(IICP)。

 

交錯式反相電荷泵(IICP)

 

相位交錯廣泛用于感性開(kāi)關(guān)穩壓器（即多相操作）中，目的是減少輸出電壓紋波3。以恰好50%的占空比交錯的2相降壓轉換器，理論上產(chǎn)生0 mV的輸出電壓紋波。當然，穩壓降壓轉換器的占空比會(huì )隨輸入和輸出電壓而變化，因此只有V_IN = 2 V_OUT時(shí)才能實(shí)現50%的占空比。電荷泵通常以恰好50%的占空比工作，因此，交錯式電荷泵逆變器值得考慮。/p>

 

當裸片上需要極低電流的負軌時(shí)，有時(shí)會(huì )在IC內使用交錯式電荷泵，但目前尚無(wú)商用的專(zhuān)用IICP反相DC-DC轉換器。IICP的結構需要兩個(gè)電荷泵和兩個(gè)飛跨電容。第二電荷泵與第一電荷泵以180°錯相操作開(kāi)關(guān)。我們來(lái)看一下IICP的設置和輸出紋波，并重點(diǎn)說(shuō)明如何優(yōu)化其性能。設置如圖4所示，時(shí)序圖如圖5所示。

 

圖4.交錯式反相電荷泵。

 

圖5.交錯式反相電荷泵的時(shí)序圖。

 

在振蕩器的每一相中，飛跨電容之一連接到VIN，另一個(gè)連接到V_OUT。乍一看，有人可能會(huì )認為添加第二個(gè)電容只會(huì )將電壓紋波減小一半。但是，這是不準確的過(guò)度簡(jiǎn)化。實(shí)際上，輸入和輸出電壓紋波可能遠小于標準逆變器，因為電容始終從輸入端充電并向輸出端放電。從IICP輸出電壓紋波的推導過(guò)程可以更好地理解這一點(diǎn)。

 

IICP輸出電壓紋波推導

 

由于IICP總是有一個(gè)飛跨電容向輸出提供電流，因此可以簡(jiǎn)化其輸出級，如圖6所示。

 

圖6.簡(jiǎn)化的IICP輸出級。

 

此外，IICP的輸出電阻（如公式1所定義）可近似為：

 

 

其中

 

 

為開(kāi)關(guān)電阻之和。

 

將電流加到I_LOAD中，我們得出：

 

 

其中dt等于開(kāi)關(guān)周期的四分之一（T/4或1/(4 × f_OSC)）。輸出電壓紋波?V_OUT為dV_OUT，V_CFLY(t)為CFLY兩端的電壓差。我們可以合理地假設，相對于飛跨電容電壓紋波，輸出電壓紋波很小。為了計算?VOUT，我們需要了解VCFLY(t)。從圖6可知，I_FLY等于流經(jīng)兩個(gè)導通開(kāi)關(guān)的電流。每個(gè)開(kāi)關(guān)有R_ON的電阻。所以：

 

 

為了求解V_CFLY(t)的這個(gè)微分方程，必須知道至少一個(gè)初始條件。此條件可通過(guò)查閱圖5中的時(shí)序圖得知。請注意，從t = 0到t = T/4，兩個(gè)C_FLY電容均向I_LOAD提供電流，并對C_OUT充電。然后，從t = T/4到t = T/2，C_FLY和C_OUT向輸出負載提供電流。在t = T/4（及類(lèi)似的t = 3/4 T）時(shí)刻，C_OUT對I_LOAD的貢獻恰好為0。所以，此時(shí)I_LOAD等于I_FLY，而V_CFLY的電壓為：

 

 

使用公式8和公式9，我們可以微分求解V_CFLY(t):

 

 

為了求得公式7的V_CFLY變化量，取兩個(gè)點(diǎn)（例如t = 0和t = T/4），對每個(gè)點(diǎn)求解公式10。結果簡(jiǎn)化為：

 

 

結合公式11和公式7，求解?V_OUT得出：

 

 

公式12的影響最初可能并不明顯。先通過(guò)考慮理想開(kāi)關(guān)的情況(R_ON = 0Ω)來(lái)簡(jiǎn)化它可能會(huì )有幫助。這樣做會(huì )使第二項接近于零，僅留下第一項。第一項非常類(lèi)似于標準反相電荷泵紋波（公式4），但IICP的雙飛跨電容使分母增大2倍。兩倍的電荷泵使波紋減半。該結果與直觀(guān)判斷一致。

 

但是，公式12的重要部分是后半部分。注意第二項的負號，這意味著(zhù)該部分會(huì )減小輸出電壓紋波。重點(diǎn)看導通電阻(R_ON)和飛跨電容(C_FLY)。在標準反相電荷泵中，這些項在降低輸出電壓紋波方面不起作用。但在IICP中，導通電阻會(huì )起到讓充電和放電電流平滑的作用。雙飛跨電容使這種充電/放電動(dòng)作不會(huì )中斷。

 

輸出電壓紋波驗證

 

我們可以利用電路仿真來(lái)檢查公式12的準確性以及用于推導該公式的假設的有效性。使用LTspice®很容易完成這項工作。該仿真的原理圖如圖7所示，文件可供 下載。

 

在多種條件下進(jìn)行了比較，結果匯總于表2。

 

表2.各種配置的理論結果與LTspice仿真結果的比較

 

表2顯示，公式12與仿真非常接近，從而驗證了簡(jiǎn)化公式時(shí)所做假設的有效性?，F在，我們可以使用該公式權衡在IICP實(shí)現中不同做法的利弊。

 

比較IICP和標準電荷泵的電壓紋波也很有幫助。在本系列的第二部分中，我們將展示這些不同的平臺實(shí)驗數據的差異性。但現在，圖8中的LTspice模型可以說(shuō)明輸出電壓紋波的差異。

 

圖7.LTspice中的交錯式反相電荷泵。

 

圖8.IICP與常規電荷泵的輸出電壓紋波比較：V_IN = 12 V，I_LOAD = 50 mA，C_FLY = 2.2 µF，C_OUT = 4.7 µF，R_ON = 3 Ω。為了直觀(guān)地與常規電荷泵進(jìn)行比較，其R_ON減半且C_FLY加倍。

 

IICP拓撲優(yōu)化

 

推導完IICP公式并證明其有效性后，我們得出兩個(gè)主要結論：對于IICP，導通電阻(R_ON)會(huì )同時(shí)減少輸入和輸出電壓紋波，這是很理想的結果。相反，在標準反相電荷泵中，導通電阻是完全不適宜的，因為它會(huì )增加電荷泵的R_OUT，而且不會(huì )降低紋波電壓。實(shí)際上，我們可以在反激電容上串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)進(jìn)一步增加導通電阻。這就為我們以增加電荷泵電阻為代價(jià)來(lái)減少輸入和輸出電壓紋波提供了一種手段。在本系列第二部分討論IICP的使用案例時(shí)，我們會(huì )進(jìn)一步探討這種手段。

 

其次，可以?xún)?yōu)化飛跨電容的值及其與C_OUT的比率，以進(jìn)一步優(yōu)化紋波。例如，小型封裝的大輸出電容可能很難找到，而且在較高電壓下電容會(huì )明顯降額。但是，通過(guò)減小C_OUT，然后增大C_FLY，可以獲得相同的輸出電壓紋波，而電容值更容易獲得。例如，不需要C_FLY = 1 µF且C_OUT = 10 µF，而是將它們都設置為2.2 µF，兩種情況下獲得的輸出電壓紋波幾乎相同。與10 µF/25 V電容相比，小型封裝的2.2 µF/25 V電容更容易獲得。第二部分中的示例應用對此進(jìn)行了探討。

 

結論

 

以上是關(guān)于交錯式反相電荷泵拓撲的系列文章（分兩部分）的第一部分。本部分介紹了IICP拓撲的一般概念，包括輸入/輸出電壓紋波計算。輸入/輸出紋波公式的推導得出了關(guān)于如何優(yōu)化IICP解決方案性能的重要見(jiàn)解。

 

本系列的第2部分將介紹ADP5600，這是一款用于IICP拓撲的集成解決方案。我們將測量其性能，并與標準反相電荷泵進(jìn)行比較。最后，我們將把所有相關(guān)內容組合在一起來(lái)為一個(gè)低噪聲相控陣波束成型解決方案供電。

 

參考電路

 

1Jaino Parasseril。 “如何使用μModule降壓穩壓器從正輸入產(chǎn)生負輸出電壓” 。凌力爾特。

 

2Kevin Scott and Jesus Rosales。“?uk組合式轉換器和反相電荷泵轉換器之間的區別” 。ADI公司。

 

3Majing Xie。 “大功率、單電感、表貼降壓-升壓µModule穩壓器處理36 VIN、10 A負載” 。凌力爾特，2008年3月。

 

致謝

 

Sherlyn Dela Cruz、Alex Ilustrisimo和Roger Peppiette

 

 

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