降低所有电荷泵输入纹波的简单方法

电荷泵是DC-DC转换器的一种形式，它依靠电容器而不是电感器进行能量存储和传输。由于没有电感器，因此在需要低功耗辅助电源（输出电流高达约150mA）的情况下具有吸引力。它们使用更少的电路板面积，提供最小的元件高度，并且易于使用。

电荷泵可以具有稳压或非稳压输出。未稳压电荷泵使为其供电的电压加倍或反相，输出电压是电源电压的函数。一个稳压电荷泵对电源电压进行升压或反相处理。其输出电压与电源无关。

减小电容器尺寸和优化输出电流的技术（快速开关速度和低导通电阻开关）也会在输入电源引脚上产生噪声和瞬态纹波。噪声会沿着输入电源引脚传播回去，给晶体控制振荡器、VCO和其他电源抑制性能差的敏感电路带来问题。本文重点介绍降低噪声的方法。

简化操作

首先，考虑将电荷泵连接为逆变器。在简化版本（图1）中，操作由占空比为2%的两相时钟信号控制。泵电容（电荷转移元件）充电至V在通过闭合SW1A和SW1B。SW2A 和 SW2B 目前开放。在下一个时钟周期，SW2A 和 SW2B 的闭合将泵浦电容连接到 C外，从而产生 -V在在输出端。

图1.作为逆变器连接的电荷泵的简化图。

接下来，将电荷泵连接为倍增器（图2）。与以前一样，操作由两相、占空比为2%的时钟信号控制。泵浦电容器是电荷传输装置，充电至V在通过关闭SW2A和SW2B（SW1A和SW2B此时打开）。在下一个时钟周期，SW1A和SW1B的闭合产生+2V在通过将泵浦电容器连接到 C 在输出端外.

图2.作为倍增器连接的电荷泵的简化示意图。

输入和输出纹波是由泵浦电容器的快速充电和放电引起的。围绕MAX3电荷泵构建的反相电路（图665）在5Ω两端产生51V电压，说明了输入纹波伪像（图4）。（大电流、低频（≤100kHz）MAX665产生的纹波很容易测量。

图3.该电荷泵逆变电路用于测量。

图4.标准逆变电路的输入电压和电流纹波：C在= C泵= C外= 100μF，R负荷= 51Ω,V在= +5.73V和V外= -5.06V。输入电流纹波（上迹线）：100mA/格输入电压纹波（下迹线）：200mV/格，交流耦合。

纹波抑制方法

为了减少纹波，必须将纹波源与电路的其余部分隔离开来。为了在电荷泵中获得最佳转换效率，还应最大限度地降低ESR，并确保输入、输出和泵电容值尽可能接近数据手册中推荐的值。以下讨论涵盖了四种最小化纹波及其影响的技术。

降低输入电容器中的 ESR 意味着多个电容器并联：N 个相同的电容器并联可将输入纹波降低 N-1.不幸的是，这种方法在成本和印刷电路板面积方面不是很有效。

相反，在输入电源引脚上添加一个LC滤波器（图5）。附加滤波可防止纹波通过输入电源走线传播到其他电路。作为二阶滤波器，LC网络最大限度地减少了元件数量。此外，其小串联电感在输入电源和电荷泵之间产生最小的压降。

 

纹波频率基波等于泵浦频率（F时钟/2).二阶滤波器的衰减频率为40dB/十倍频程，因此理想的滤波器频率应至少比所选的F低十倍频程时钟/2.

 

电感必须处理大于1.5I的直流电流外没有饱和度。对于临界阻尼（即无峰值），

 

滤波器应具有临界阻尼或靠近阻尼，给定R的低阻抗值源和 R负荷.然而，临界阻尼对于电路运行并不重要。即使在滚降点出现一些峰值，滤波仍然有效。一个 10μF 滤波电容器和 10μH 滤波扼流圈共同提供 3.15kHz 的 9dB 频率和一个临界 R源的 1Ω。图6显示了图5电路在不同阻尼比下的幅度响应，图7显示了其较低的纹波水平（与图3的电路相比）。

 

 

在电荷泵的输入电源（图8）中添加一个低压差线性稳压器，可产生一个有效的通用电路，以防止纹波对系统其余部分的影响。输入LDO还采用比无源LC滤波器更小的电容工作：300mA MAX8860 LDO （采用8引脚μMAX封装）在输入和输出端需要2.2μF电容;MAX8863–MAX8864系列120mA线性稳压器（采用SOT23封装）仅需1μF陶瓷电容。但是，LDO必须处理至少两倍的电荷泵输出负载电流。与等效的无源滤波器相比，这种额外电流能力的额外成本可能会使LDO方法在成本和性能（PCB面积和衰减）方面超出界限。®

 

在输入电源（图9）增加RC是LC滤波器方法的单阶版本。一般不建议使用 RC 输入，因为 R 的值较低滤波器最小效率损耗（< 5Ω）所需的压力非常大的C滤波器.图10所示是在图9电路输入端增加RC滤波器的效果，其中MAX665与100μF电容产生5V输出，负载电阻为51Ω

 

如果输入电源是电池，则电池的有效大容量电容可以作为C滤波器.因为 C滤波器是一个非常大的电容，所得滤波器在减少电池处的纹波效应方面非常有效。一个例子有助于说明这一点：800mAH锂电池的电容可以从以下公式得出：

 

 

Q = C.V	，其中I = 800mA，T = 3600s （1Hr），V = 3.4V。
I.T = C.V

 

因此，C = 847 法拉和 f滤波器= 0.12mHz。ESR和电池接触电阻之和（约100mΩ）将衰减限制在最大21dB，假设纹波源电阻（R滤波器） 等于 1Ω。实际电池的模型更为复杂，中央大容量电容由ESR、ESL和寄生电容修改。在实践中，应添加接近R的电容滤波器，从而为电池及其互连引线提供高于 250kHz （< 50mΩ） 的高频辅助和低 ESR。附加 C 的典型值滤波器为 470nF。对于图665的MAX10电路，增加C滤波器至1500μF可降低输入电压和电流纹波，如图11所示。

 

 

结论

有几种方法可用于降低电荷泵引起的输入电源纹波的影响。例如，在数据手册推荐的输入电容外放置一个LC滤波器可为系统其余部分提供出色的电压纹波保护（图2），对整体转换效率的影响最小。电池系统的有效替代方案是占用最小空间的简单串联电阻 。该电阻器还适用于适合大存储值 （> 10μF） 的非电池应用。

审核编辑：郭婷