交错式反相电荷泵：实现和结果

作者：on Kraft and Alexander Ilustrisimo

介绍

在本系列的第1部分中，我们介绍了一种从正电源产生低噪声负电源轨的独特方法，并介绍了控制其工作的方程的推导。第2部分深入探讨了这种交错式反相电荷泵（IICP）实现与ADI公司新型ADP5600的实际示例。我们将ADP5600的电压纹波和辐射发射与标准反相电荷泵进行比较，以展示交错如何改善低噪声性能。我们还使用第1部分中的方程来优化该解决方案的性能，将其应用于低噪声相控阵波束成形电路。

全球首款商用交错式反相电荷泵

如第1部分所述，IICP用于集成电路中以产生小的负偏置轨。ADP5600独特地将低噪声IICP与其他低噪声特性和高级故障保护相结合。

ADP5600是一款交错式电荷泵逆变器，集成低压差（LDO）线性稳压器。与传统的电感或电容解决方案相比，其独特的电荷泵级表现出更低的输出电压纹波和反射输入电流噪声。交错作为一种低噪声概念是聪明的，但交错通道并不是解决噪声问题的万能药。要实现真正的低噪声，需要专门设计的IC，以实现IICP的低噪声优势，同时保持解决方案尺寸小而高效。

固定和可编程开关频率

许多反相电荷泵的工作频率为几百kHz。这种相对较低的频率限制需要相对较大的电容器，并限制可以放置频率杂散的位置。ADP5600的工作开关频率为100 kHz至1.1 MHz，因此可以有效地用于现代系统。此外，该频率始终是固定的——频率与输出负载没有变化。开关频率变化（扩频频率调制）通常用于提高电荷泵的效率，但它可能会在噪声敏感系统中产生问题。

外部频率同步

许多低噪声系统需要将高幅度开关噪声放入定义的频段，其中产生的噪声对系统的影响最小。考虑到这一点，转换器的工作频率在噪声敏感系统中是同步的，但同步在电荷泵逆变器中很少见。相比之下，ADP5600可以同步至高达2.2 MHz的外部时钟。

低压差常规

由于ADP5600覆盖较宽的输入电压范围，其电荷泵输出电压可能过高，无法为较低电压电路供电。因此，ADP5600内置一个LDO后置稳压器。它还具有一个以正电压为基准的电源良好引脚，以便在LDO输出处于稳压状态时轻松进行电源排序。

故障保护

最后，ADP5600包括一套全面的故障保护功能，适用于鲁棒应用。这包括过载保护、短路跨接电容器保护、欠压锁定 （UVLO）、精密使能和热关断。另一个新颖功能是跨接电容电流限制，还可以降低为飞桥电容充电时的峰值电流尖峰。

来自ADP5600的测试数据

第 1 部分提供了理论证明，与非交错解决方案相比，IICP 架构显著改善了纹波。为简洁起见，第1部分所示的推导非常理想——它们忽略了寄生效应、布局依赖性（IC和PCB）、时序失配（即不完美的50%振荡器）和RDS错位。这些因素导致与计算和测量的电压纹波有些偏差。与往常一样，最好将ADP5600投入使用，观察其性能，并使用推导的公式来指导电路优化以获得最佳性能。

此处使用标准ADP5600评估板，但插入了R飞，以及对 C 值的修改飞和 C外.此外，我们还使用ADP5600的SYNC功能来改变开关频率。图1中的框图显示，各个电荷泵的开关频率是该SYNC频率的一半;也就是说，FOSC= 1/2 f同步.

图3和图4分别显示了交错和非交错反相电荷泵在相同条件下工作的输出电压纹波。

图1.ADP5600交错式反相电荷泵简化框图

图2.ADP5600交错式反相电荷泵测试设置

图3.ADP5600 IICP输出电压，电压在= 6 V， C外= C飞= 2.2 μF， fOSC= 250 kHz， I负荷= 50 mA。

图4.标准反相电荷泵输出电压，带V在= 6 V， C外= C飞= 2.2 μF， fOSC= 250 kHz， I负荷= 50 mA。

在这些条件下，ADP5600的输入和输出电压纹波比传统反相电荷泵低近14倍。我们还可以确定该电压纹波是否与本系列第1部分中推导的方程相匹配。回想一下第 1 部分，IICP 的输出（或输入）电压纹波由下式给出：

使用公式1，用实值代入R。外和 R上，可以比较计算和测量的输出电压纹波。表1给出了各种测试配置的这些结果，并指出了与非交错电荷泵实现方案相比的改进。

 

fOSC（千赫）	C外（微法）	C飞（微法）	R飞(Ω)	测量的 V外（五）	测量的 R外(Ω)	V外纹波 （mV）		对非交错的改进
						测量	计算
250	1.6	1.6	0	11.48	10	5.3	6.0	620
250	1.8	1.8	25	8.86	63	3.4	3.2	680
250	4.6	1.6	0	11.48	10	1.9	2.4	620
500	2.8	1.6	0	11.45	11	2.5	2.9	7.5×
500	1.8	1.8	25	8.74	65	3.1	2.7	600
1000	1.6	1.6	0	11.40	12	4.3	4.2	3.7×
1000	1.8	1.8	25	8.438	71	2.8	2.8	5.6×
*C的实际电容外和 C飞（在电压下电容降额）被使用，而不是它们的标称值。

 

表1显示，交错电压纹波与公式1的预测非常吻合。还显示了与标准非交错式反相电荷泵相比的改进。此表中的某些设置还包括一个额外的外部电阻 R飞，与 C 串联连接飞.这些结果表明，R飞进一步降低了电压纹波，但以电荷泵输出电阻为代价。公式1和本系列第1部分的分析也预测了这一点。

除了输出电压纹波外，IICP的辐射发射也比标准电荷泵有所改善。为了测量这一点，在评估板上放置了一个25 mm天线（图5），并测试了各种配置。图6显示了这种配置与标准非交错式电荷泵逆变器的比较。IICP拓扑使第一次和第三次开关谐波的噪声降低12 dB至15 dB。

图6.辐射发射，V在= 12 V， I负荷= 50 mA， C飞= C外= 2.2 μF， f同步= 500 kHz。绿色 = 标准，蓝色 = IICP。

IICP的应用实例

数据转换器、RF放大器和RF开关需要低噪声电源。这些系统中电源设计面临的主要挑战是：

功耗和高温操作

抗扰度和低电磁干扰贡献

大输入电压范围

最小化解决方案尺寸和占用空间

为了说明IICP的完整设计和优势，我们考虑一个为RF放大器、RF开关和相控阵波束成形器供电的应用。该应用包含在ADTR1107数据手册中，并复制于图7。

图7.ADAR1000 外加 1107 个 ADTR<> 电源轨。

图8.ADP5600 和 LT3093 用于为 AVDD1 和 VSS_SW 供电。

在本例中，需要几个高功率正电压轨，这些电源轨留作电感式降压转换器的工作。还需要两个负电源轨：AVDD1 和 VSS_SW.ADAR1000 使用 AVDD1 生成用于VGG_PA和LNA_BIAS的低噪声偏置轨。AVDD1 在 50 mA 时为 –5 V，VSS_SW 为 –3.3 V/<100 μA 电源轨，发往 ADTR1107 内的 RF 开关。每个ADAR1000使用四个ADTR1107，因此–3.3 V电源轨的最大功耗为1 mA。通常，这些系统的电源轨为12 V。

ADP5600是12 V电压下产生–5 V/50 mA电压和–3.3 V/1 mA电源轨的理想选择，因为它可实现低输入和输出电压纹波以及低辐射发射。此外，在很宽的范围内同步开关频率的能力允许将开关噪声放置在对系统影响最小的地方。图 8 显示了最终设计。

LT®3093 是一款非常低噪声的 LDO 线性稳压器，其能够提供高电压，从而允许 ADP5600 充电泵输出 （CPOUT） 直接连接到其输入。其–5 V输出由SET引脚上的电阻设置，可编程电源良好引脚可在AVDD1电源轨符合要求时通知其他系统。ADP5600的LDO调节低得多的电流VSS_SW轨。虽然没有 LT3093 那么低噪声或高电源抑制比 （PSRR），但它能够提供一个稳定的电源轨来VSS_SW。所有三个电源轨（电荷泵、AVDD1 和 VSS_SW）的输出电压纹波如图9所示。

图9.电荷泵输出电压纹波（V）在= 12 V， C外= 10 μF（标称值），C飞= 2.2 μF （标称）， f同步= 1 兆赫 （fOSC= 500 kHz），I负荷= 50 mA。

结论

这个由两部分组成的系列介绍了一种从正电源产生低噪声负电源轨的新方法。第1部分介绍了交错式负相电荷泵操作背后的概念。第2部分通过采用ADI公司新型ADP5600构建和测试的完整解决方案，将这些想法付诸实践。该解决方案使用第 1 部分中推导的数学模型进行了优化。将传导和辐射发射与标准反相电荷泵进行比较。在某些情况下，与标准电荷泵逆变器相比，实现了18倍的改进，这对于满足现代精密和RF系统的低噪声要求非常重要。

审核编辑：郭婷