详析交错式反相电荷泵

 

本文将借助ADP5600深入探讨交错式反相电荷泵(IICP)的实际例子。我们将ADP5600的电压纹波和电磁辐射干扰与标准反相电荷泵进行比较，以揭示交错如何改善低噪声性能。

01  商用交错式反相电荷泵  

集成电路中使用IICP来生成较小的负偏置轨。ADP5600独特地将低噪声IICP与其他低噪声特性和高级故障保护功能结合在一起。

 

ADP5600是一款交错式电荷泵逆变器，集成了低压差(LDO)线性稳压器。与传统的基于电感或电容的解决方案相比，其独特的电荷泵级具有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很巧妙，但交错通道并不能解决所有噪声问题。为了实现真正的低噪声，需要一种专门设计的IC来实现IICP的低噪声优势，同时保持解决方案的小尺寸和高效率。

 

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值要求相对较大的电容，并限制了频率杂散可以放置的位置。ADP5600可以在100 kHz至1.1 MHz的开关频率下工作，因而能在现代系统中高效使用。此外，该频率始终是固定的，不随输出负载而变化。开关频率变化（展频调制）通常用于提高电荷泵效率，但在噪声敏感的系统中可能会产生问题。

 

外部频率同步

 

许多低噪声系统需要将高幅度开关噪声置于规定的频带中，以使所产生的噪声对系统的影响最小。考虑到这一点，在噪声敏感系统中，转换器的工作频率是同步的，但在电荷泵逆变器中，同步很少见。相比之下，ADP5600可以同步到高达2.2 MHz的外部时钟。

 

低压差稳压器

 

ADP5600的输入电压范围很宽，其电荷泵输出电压可能过高，无法为低压电路供电。因此，ADP5600内置了一个LDO后置稳压器。它还有一个以正电压为基准的电源正常信号引脚，以便在LDO输出处于稳压状态时轻松进行电源时序控制。

 

故障保护

 

最后，ADP5600具有一套全面的故障保护特性，适合于稳健的应用。保护特性包括过载保护、短路飞跨电容保护、欠压锁定(UVLO)、精密使能和热关断。另一个新颖的特性是飞跨电容限流，它也能降低飞跨电容充电时的峰值电流尖峰。

 

02  ADP5600测试数据  

之前我们从理论上证明了与非交错解决方案相比，IICP架构可显著改善纹波。为简洁起见，但是其中说明的推导是理想化的，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R_DS失配。这些因素导致与计算和测量的电压纹波有些偏差。一如既往，最好将ADP5600投入使用，观测其性能，并使用推导的方程式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_FLY，并修改了C_FLY和C_OUT的值。此外，我们使用ADP5600的SYNC特性来改变开关频率。图1所示框图表明，各电荷泵以该SYNC频率的一半进行开关。也就是说，f_OSC = ½ f_SYNC。

 

图3和图4分别显示了在相同条件下运行时，交错式和非交错式反相电荷泵的输出电压纹波。

 

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，V_IN = 6 V，C_OUT = C_FLY = 2.2 μF，f_OSC = 250 kHz，I_LOAD = 50 mA

 

图4.标准反相电荷泵输出电，V_IN = 6 V，C_OUT = C_FLY = 2.2 μF，f_OSC = 250 kHz，I_LOAD = 50 mA

 

在这些条件下，ADP5600的输入和输出电压纹波几乎比传统反相电荷泵低14倍。IICP的输出（或输入）电压纹波由下式给出：

 

 

使用式1，并将实际值代入R_OUT和R_ON，便可比较计算出的和测量到的输出电压纹波。表1给出了多种测试配置下的结果，并指出了相对于非交错式电荷泵方案的改善幅度。

 

表1.不同使用案例下的V_OUT纹波；V_IN = 12 V, I_LOAD = 50 mA, R_ON = 2.35 Ω** 使用的是C_OUT和C_FLY的实际电容值（电容在电压下会降额），而不是标称值。

 

表1显示了交错电压纹波与式1的预测非常吻合。另外还显示了其相对于标准的非交错式反相电荷泵的改善幅度。此表中的某些设置还包括与C_FLY串联的附加外部电阻R_FLY。结果表明，R_FLY进一步降低了电压纹波，但要以电荷泵输出电阻为代价。

 

除输出电压纹波外，IICP的电磁辐射骚扰与标准电荷泵相比也有所改善。为了衡量这一点，将一根25 mm天线放在评估板上（图5），并测试了多种配置。图6显示了这样一种配置与标准的非交错式电荷泵逆变器的比较。IICP拓扑可将第一和第三开关谐波的噪声降低12 dB至15 dB。

 

图5.采用ADP5600评估板的电磁辐射干扰测试设置

 

图6.电磁辐射干扰， V_IN = 12 V, I_LOAD = 50 mA, C_FLY = C_OUT = 2.2 μF, f_SYNC = 500 kHz。绿色 = 标准，蓝色 = IICP。

 

03  IICP应用示例  

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

• 功耗和高温运行

• EMI抗扰度和低EMI贡献

• 输入电压范围大

• 解决方案尺寸和面积应最小化

 

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型器供电的应用。该应用包含在ADTR1107数据手册 中，图7复制自其中。此示例需要几个大功率正电压轨——在这里是感性降压转换器的工作。另外还需要两个负电压轨：AVDD1和VSS_SW。

 

图7.ADAR1000加上四个ADTR1107电源轨

 

图8.ADP5600和LT3093用于为AVDD1和VSS_SW供电

 

ADAR1000使用AVDD1为VGG_PA和LNA_BIAS生成低噪声偏置轨。AVDD1为–5 V、50 mA，VSS_SW为ADTR1107中RF开关的–3.3 V、<100 μA电源轨。每个ADAR1000使用四个ADTR1107，因此–3.3 V电源轨最大汲取1 mA电流。通常，这些系统的电源轨为12 V。

 

ADP5600是从12 V电压产生–5 V、50 mA和–3.3 V、1 mA电源轨的理想选择，因为它实现了低输入和输出电压纹波以及低电磁辐射干扰。此外，它能同步宽范围的开关频率，因而允许将开关噪声放在对系统影响最小的位置。图8显示了最终设计。

 

LT3093 是一款超低噪声LDO线性稳压器，支持高电压，允许将ADP5600电荷泵输出(CPOUT)直接连接到其输入。其–5 V输出由SET引脚上的电阻设置，当AVDD1电源轨符合要求时，可编程的电源良好引脚可以通知其他系统。ADP5600的LDO调节电流低得多的VSS_SW轨。尽管没有LT3093那么低的噪声或那么高的电源抑制比(PSRR)，但它能够为VSS_SW提供稳定的电源轨。所有三个轨（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_IN = 12 V，C_OUT = 10 μF（标称值），C_FLY = 2.2 μF（标称值），f_SYNC = 1 MHz (f_OSC = 500 kHz)，I_LOAD = 50 mA

 

04  结论  

本文利用ADI公司的新产品ADP5600构建并测试了一个完整解决方案，并使用数学模型对该解决方案进行了优化。另外还将其传导发射和电磁辐射干扰与标准反相电荷泵进行了比较。在某些情况下，与标准电荷泵逆变器相比，其改善幅度达到18倍，这对于满足现代精密和RF系统的低噪声要求非常重要。

 

     

ADP5600

• −0.505 V，−1.5 V，−2.5 V，−5 V

• 100 kHz 至 1 MHz

• 输入电压2.7 V 至 16 V

• 最大输出电流：−100 mA

• 集成功率 MOSFET

• 四个 LDO 可选输出电压选项

• 可调输出电压范围：−0.505 V 至 –V_IN + 0.5 V

• 可编程电荷泵开关频率范围

• 通过 SYNC 引脚实现频率同步

• 精密启动和电源正常工作

• 软启动

• 输出短路及过载保护

• 电荷泵续流电容器短路保护

• 集成 LDO 输出放电电阻

• 16 引脚 4 mm × 4 mm LFCSP

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原文标题：详析交错式反相电荷泵

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