智能電路提高電荷泵和線性穩(wěn)壓器解決方案的效率

作者：Kevin Scott and Martin Merchant

在某些系統(tǒng)中，電荷泵加線性穩(wěn)壓器組合優(yōu)于基于電感的開關電源（帶或不帶后置穩(wěn)壓線性穩(wěn)壓器），原因如下：設計簡單、輻射EMI少、電感恐懼癥等。對于這些應用，凌力爾特擁有越來越多的電荷泵，集成線性穩(wěn)壓器解決方案，提供低輸出電壓噪聲替代方案。

當效率是一個問題時，電荷泵可以提供的輸出電壓組合相當有限。電荷泵非常適合使輸入電壓加倍或反相。它們還擅長提供一半的輸入電壓。下面的圖1a和圖1b顯示了當輸出端需要一半的輸入電壓時，電荷泵電路的兩相（電荷泵開關位置和電流）。交換機 S2 和 S4 的位置已交換，以簡化電路的繪制。

圖 1a. 1/2 V在電荷泵，第一開關階段

注意，在電荷泵周期的第一階段，跨接電容和輸出電容串聯(lián)放置，然后在第二相并聯(lián)放置，以獲得輸入電壓的一半。該電路適用于正輸入電壓和負輸入電壓，即如果輸入為正，則輸出為正輸入的一半，如果輸入為負，則輸出為負輸入的一半。但是，如果唯一可用的輸入電壓是正電壓，而需要輸入電壓一半的負電壓，該怎么辦？對于優(yōu)先考慮更高效率的設計，有時就是這種情況。例如，如果輸入電壓為5V，需要低噪聲–1.8V，該怎么辦？使用簡單的電荷泵和線性穩(wěn)壓器會導致解決方案效率非常低;5V以大約80%的效率（假設的電荷泵效率）反相至–5V，然后在低至–1.8V時線性調節(jié)。線性穩(wěn)壓器效率非常低（V外/–V在= 36%），當與電荷泵效率結合使用時，級聯(lián)效率僅為29%。如果電荷泵能夠提供–2.5V，線性穩(wěn)壓器效率將增加到72%（–1.8V/–2.5V），從而使級聯(lián)效率加倍。請記住，線性穩(wěn)壓器必須具有非常低的壓差（在本例中小于–200mV），才能在所需的電流水平下提供–1.8V穩(wěn)壓輸出電壓。

從5V輸入提供–2.5V的電路是理想的，但如前所述，這僅在輸入和輸出極性相同時才有效。問題出現(xiàn)是因為要反轉輸入電壓，跨接電容和輸出電容需要同時浮動，然后并聯(lián)，但根據(jù)上面的電荷泵電路圖，似乎沒有辦法做到這一點。

圖2所示的巧妙LTC3260電路為這一難題提供了解決方案。使用外部肖特基二極管開關，電路產(chǎn)生的負輸出電壓約為輸入的一半（減去肖特基二極管兩端的壓降），但極性相反，負電源的功耗較低。

圖2.高效反相低噪聲解決方案

LTC?3260 是一款單輸入電壓、雙極性輸出、無電感、低輸出電壓噪聲電源，其包括一個反相充電泵和兩個線性穩(wěn)壓器，以提供一個小尺寸的正輸出和負輸出電源。該器件采用一個 4.5V 至 32V 的正輸入電壓，并使用一個 50mA 低噪聲線性穩(wěn)壓器和 800mV 最大壓差 （室溫下） 來產(chǎn)生正輸出。它使用電荷泵反相輸入電壓;該負輸出電壓之后還跟一個50mA低噪聲線性穩(wěn)壓器。該組合提供了一個約100μV的簡單雙極性電源有效值輸出噪聲和輸出電壓低至 ±1.2V。

電路的工作原理如下：

當開關 S1 和 S2 閉合（S3 和 S4 開路）時，兩個串聯(lián)電容器的充電電流約為輸入電壓的一半 （（V在– VC1–VC2– VF） = 0V，其中 VF是肖特基二極管的前向壓降。由于兩個電容器的尺寸相同，VC1= VC2= VC，方程簡化為 V在= 2VC– VF.

圖3.~1/2反相電荷泵的第一階段

當 S3 和 S4 關閉（S1 和 S2 打開）時，C+ 處于地電位（圖 4）。由于電容器兩端的電壓不能瞬時變化，因此C-處的電壓將為–VC+ VF.輸出有效地看到D1二極管壓降和C2串聯(lián)組合與C3和D3的串聯(lián)組合并聯(lián)。如果不使用二極管，電路將簡單地調節(jié)至–V在而不是 ~1/2V在.

圖4.~1/2反相電荷泵的第二階段

如果輸入電壓為15V，期望輸出為±5V @ 50mA輸出，并再次假設電荷泵的效率為80%，則以下兩種情況是：

案例 1.標準反相電荷泵

正電源：15V 線性穩(wěn)壓至 5V = 33% 效率

負電源：15V 反相，效率為 80%，線性穩(wěn)壓至 –5V = 26.4% 效率 （0.8*–5V/–15V）。

案例 2.2分頻反相電荷泵電路

正電源：15V 線性穩(wěn)壓至 5V = 33% 效率

負電源：15V反相并分頻2;V外= 6.25V。

在情況2中，由于肖特基二極管，電荷泵的效率略低，但線性穩(wěn)壓器效率提高到約80%，大大提高了整體效率。

除了裸露焊盤 MSOP-16 封裝 （4.9mm × 4mm 封裝外，LTC3260 還提供節(jié)省空間的 4mm × 3mm DFN-16 封裝。其他凌力爾特充電泵和線性穩(wěn)壓器解決方案包括 LTC3265（一款低噪聲雙電源解決方案，具有升壓和反相充電泵以及低噪聲 ±50mA 線性后置穩(wěn)壓器）和 LTC3256（一款 38V 輸入電壓、降壓型充電泵轉換器，具有一個 350mA 充電泵，后接一個 250mA 低噪聲線性穩(wěn)壓器）。所有這些解決方案都為不首選基于電感的解決方案的應用提供了低EMI、低噪聲、集成電源解決方案。如LTC3260電路所示，效率可能遠高于采用這種創(chuàng)造性電路設計技術所能想象的。

審核編輯：郭婷