電荷泵加線(xiàn)性穩(wěn)壓器組合的效率提升解決方案

在某些系統(tǒng)中，電荷泵加線(xiàn)性穩(wěn)壓器組合優(yōu)于基于電感的開(kāi)關(guān)電源（帶或不帶后調(diào)節(jié)線(xiàn)性穩(wěn)壓器），原因如下：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，輻射EMI低，電感恐懼癥，對(duì)于這些應(yīng)用，凌力爾特公司擁有越來(lái)越多的帶有集成線(xiàn)性穩(wěn)壓器解決方案的電荷泵，可提供低輸出電壓噪聲替代方案。

當(dāng)效率受到關(guān)注時(shí)，電荷泵的組合相當(dāng)有限它可以提供的輸出電壓。電荷泵非常適合將輸入電壓加倍或反相。它們也擅長(zhǎng)提供一半的輸入電壓。下面的圖1a和1b顯示了當(dāng)輸出端需要輸入電壓的一半時(shí)，電荷泵電路的兩個(gè)相位（電荷泵開(kāi)關(guān)位置和電流）。已交換開(kāi)關(guān)S2和S4的位置以簡(jiǎn)化電路的繪制。

注意，在電荷泵周期的第一階段，飛跨電容和輸出電容串聯(lián)放置，并且然后在第二相上并聯(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(fù)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(fù)，則輸出為負(fù)輸入的一半。但是，如果唯一可用的輸入電壓是正的并且需要輸入電壓的一半的負(fù)電壓怎么辦？對(duì)于需要更高效率的設(shè)計(jì)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況。例如，如果輸入電壓為5V且需要低噪聲-1.8V怎么辦？使用簡(jiǎn)單的電荷泵和線(xiàn)性穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生效率非常低的解決方案; 5V以大約80％的效率（假定的電荷泵效率）反轉(zhuǎn)為-5V，然后將其線(xiàn)性調(diào)節(jié)至-1.8V。線(xiàn)性穩(wěn)壓器效率非常低（V OUT / - V IN = 36％），當(dāng)與電荷泵效率相結(jié)合時(shí)，級(jí)聯(lián)效率僅為29％ 。如果電荷泵可以提供-2.5V，則線(xiàn)性穩(wěn)壓器效率將增加到72％（ - 1.8V / -2.5V），從而使級(jí)聯(lián)效率加倍。請(qǐng)記住，線(xiàn)性穩(wěn)壓器必須具有非常低的壓差（在這種情況下小于-200mV），以在所需的電流水平下提供-1.8V的穩(wěn)壓輸出電壓。

提供-2.5V的電路從5V輸入是理想的，但如上所述，這僅在輸入和輸出極性相同時(shí)才有效。出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題的原因是為了反轉(zhuǎn)輸入電壓，快速電容和輸出電容需要同時(shí)浮動(dòng)然后并聯(lián)，但似乎沒(méi)有辦法根據(jù)電荷泵電路做到這一點(diǎn)。上圖。

圖2所示的智能LTC3260電路為解決困境提供了解決方案。使用外部肖特基二極管開(kāi)關(guān)，該電路產(chǎn)生的負(fù)輸出電壓約為輸入的一半（減去肖特基二極管上的壓降），但極性相反，在負(fù)電源上產(chǎn)生較低的功耗。

LTC3260是一款單輸入電壓，雙極性輸出，無(wú)電感，低輸出電壓噪聲電源，包括一個(gè)反相電荷泵和兩個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器，可提供小尺寸的正負(fù)輸出電源。該器件采用4.5V至32V的正輸入電壓，采用50mA低噪聲線(xiàn)性穩(wěn)壓器，最大壓差為800mV（室溫下），以產(chǎn)生正輸出。它使用電荷泵來(lái)反轉(zhuǎn)輸入電壓;此負(fù)輸出電壓后面還有一個(gè)50mA低噪聲線(xiàn)性穩(wěn)壓器。該組合提供簡(jiǎn)單的雙極性電源，輸出噪聲約為100μV RMS ，輸出電壓低至±1.2V。

電路工作原理如下：

當(dāng)開(kāi)關(guān)S1和S2閉合（S3和S4斷開(kāi)）時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)電容充電至輸入電壓的大約一半（（V IN - V C1 - V C2 - V F ）= 0V，其中V F 是肖特基二極管的正向壓降。由于兩個(gè)電容器的尺寸相同，V C1 = V C2 = V C ，等式減小到V IN = 2V C - V F 。

當(dāng)S3和S4關(guān)閉（S1和S2打開(kāi)）時(shí)，C +接地（圖4）。由于電容器兩端的電壓不能瞬間改變，因此C-的電壓將為-V C + V F 。輸出有效地將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)。如果沒(méi)有使用二極管，電路將簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)到-V IN 而不是~1 / 2V IN 。

尋找在15V輸入電壓和所需輸出±5V @ 50mA輸出的更極端情況下，再次假設(shè)電荷泵效率為80％，以下兩種情況如下：

情況1.標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵

正電源：15V線(xiàn)性穩(wěn)壓至5V = 33％效率

負(fù)電源：15V反相，效率為80％，線(xiàn)性調(diào)節(jié)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(xiàn)性穩(wěn)壓至5V = 33％效率

負(fù)電源：15V倒置并除以2; V OUT = 6.25V。

在案例2中，由于肖特基二極管，電荷泵的效率略低，但線(xiàn)性穩(wěn)壓器的效率提高到大約80

除了裸露焊盤(pán)MSOP-16封裝（4.9mm×4mm封裝）外，LTC3260還采用節(jié)省空間的4mm x 3mm DFN-16封裝。其他凌力爾特公司的電荷泵和線(xiàn)性穩(wěn)壓器解決方案包括LTC3265（具有升壓和反相電荷泵的低噪聲雙電源解決方案和低噪聲±50mA線(xiàn)性后穩(wěn)壓器）和LTC3256（38V輸入電壓，降壓電荷泵轉(zhuǎn)換器）使用350mA電荷泵，然后使用250mA低噪聲線(xiàn)性穩(wěn)壓器）。所有這些解決方案均可提供低EMI，低噪聲，集成電源解決方案，適用于不希望采用基于電感的解決方案的應(yīng)用。正如LTC3260電路所示，這種創(chuàng)新的電路設(shè)計(jì)技術(shù)可以提高效率。