电荷泵加线性稳压器组合的效率提升解决方案

在某些系统中，电荷泵加线性稳压器组合优于基于电感的开关电源（带或不带后调节线性稳压器），原因如下：设计简单，辐射EMI低，电感恐惧症，对于这些应用，凌力尔特公司拥有越来越多的带有集成线性稳压器解决方案的电荷泵，可提供低输出电压噪声替代方案。

当效率受到关注时，电荷泵的组合相当有限它可以提供的输出电压。电荷泵非常适合将输入电压加倍或反相。它们也擅长提供一半的输入电压。下面的图1a和1b显示了当输出端需要输入电压的一半时，电荷泵电路的两个相位（电荷泵开关位置和电流）。已交换开关S2和S4的位置以简化电路的绘制。

注意，在电荷泵周期的第一阶段，飞跨电容和输出电容串联放置，并且然后在第二相上并联放置以获得输入电压的一半。该电路适用于正输入电压和负输入电压，即如果输入为正，则输出为正输入的一半，如果输入为负，则输出为负输入的一半。但是，如果唯一可用的输入电压是正的并且需要输入电压的一半的负电压怎么办？对于需要更高效率的设计，有时会出现这种情况。例如，如果输入电压为5V且需要低噪声-1.8V怎么办？使用简单的电荷泵和线性稳压器会产生效率非常低的解决方案; 5V以大约80％的效率（假定的电荷泵效率）反转为-5V，然后将其线性调节至-1.8V。线性稳压器效率非常低（V OUT / - V IN = 36％），当与电荷泵效率相结合时，级联效率仅为29％ 。如果电荷泵可以提供-2.5V，则线性稳压器效率将增加到72％（ - 1.8V / -2.5V），从而使级联效率加倍。请记住，线性稳压器必须具有非常低的压差（在这种情况下小于-200mV），以在所需的电流水平下提供-1.8V的稳压输出电压。

提供-2.5V的电路从5V输入是理想的，但如上所述，这仅在输入和输出极性相同时才有效。出现这个问题的原因是为了反转输入电压，快速电容和输出电容需要同时浮动然后并联，但似乎没有办法根据电荷泵电路做到这一点。上图。

图2所示的智能LTC3260电路为解决困境提供了解决方案。使用外部肖特基二极管开关，该电路产生的负输出电压约为输入的一半（减去肖特基二极管上的压降），但极性相反，在负电源上产生较低的功耗。

LTC3260是一款单输入电压，双极性输出，无电感，低输出电压噪声电源，包括一个反相电荷泵和两个线性稳压器，可提供小尺寸的正负输出电源。该器件采用4.5V至32V的正输入电压，采用50mA低噪声线性稳压器，最大压差为800mV（室温下），以产生正输出。它使用电荷泵来反转输入电压;此负输出电压后面还有一个50mA低噪声线性稳压器。该组合提供简单的双极性电源，输出噪声约为100μV RMS ，输出电压低至±1.2V。

电路工作原理如下：

当开关S1和S2闭合（S3和S4断开）时，两个串联电容充电至输入电压的大约一半（（V IN - V C1 - V C2 - V F ）= 0V，其中V F 是肖特基二极管的正向压降。由于两个电容器的尺寸相同，V C1 = V C2 = V C ，等式减小到V IN = 2V C - V F 。

当S3和S4关闭（S1和S2打开）时，C +接地（图4）。由于电容器两端的电压不能瞬间改变，因此C-的电压将为-V C + V F 。输出有效地将D1二极管压降和C2串联组合与C3和D3的串联组合并联。如果没有使用二极管，电路将简单地调节到-V IN 而不是~1 / 2V IN 。

寻找在15V输入电压和所需输出±5V @ 50mA输出的更极端情况下，再次假设电荷泵效率为80％，以下两种情况如下：

情况1.标准反相电荷泵

正电源：15V线性稳压至5V = 33％效率

负电源：15V反相，效率为80％，线性调节至-5V = 26.4％效率（0.8 * -5V / -15V）。

案例2. 2分频反相电荷泵电路

正电源：15V线性稳压至5V = 33％效率

负电源：15V倒置并除以2; V OUT = 6.25V。

在案例2中，由于肖特基二极管，电荷泵的效率略低，但线性稳压器的效率提高到大约80

除了裸露焊盘MSOP-16封装（4.9mm×4mm封装）外，LTC3260还采用节省空间的4mm x 3mm DFN-16封装。其他凌力尔特公司的电荷泵和线性稳压器解决方案包括LTC3265（具有升压和反相电荷泵的低噪声双电源解决方案和低噪声±50mA线性后稳压器）和LTC3256（38V输入电压，降压电荷泵转换器）使用350mA电荷泵，然后使用250mA低噪声线性稳压器）。所有这些解决方案均可提供低EMI，低噪声，集成电源解决方案，适用于不希望采用基于电感的解决方案的应用。正如LTC3260电路所示，这种创新的电路设计技术可以提高效率。