作者：Jon Kraft and Steve Knoth

精密儀器儀表或射頻（RF）電路中的噪聲必須最小化，但由于這些系統(tǒng)的性質(zhì)，降低噪聲會帶來許多挑戰(zhàn)。例如，這些系統(tǒng)通常必須在寬輸入電壓下工作，同時滿足嚴格的電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）要求。此外，系統(tǒng)擠滿了電子設(shè)備，使其空間受限且對熱敏感。集成電路（IC）的復(fù)雜性日益增加，導(dǎo)致這些系統(tǒng)所需的電源電壓軌數(shù)量增加。生成所有這些電源軌，滿足上述要求，并保持整個系統(tǒng)的低噪聲可能令人生畏。

ADI公司為產(chǎn)生低噪聲電源提供了多種解決方案。這些解決方案中的大多數(shù)設(shè)計用于產(chǎn)生正電壓軌，用于產(chǎn)生負電壓的專用IC較少。當(dāng)負電壓需要為低噪聲器件供電時，例如RF放大器、開關(guān)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC和DAC），這可能特別有限。

在本系列文章的第1部分中，我們將介紹一種從正電源產(chǎn)生這種低噪聲負電源軌的新方法。它首先要大致了解負電源軌通常是如何產(chǎn)生的以及它們的使用位置。然后，在介紹交錯式反相電荷泵（IICP）拓撲之前，我們將討論標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵。IICP的輸入和輸出電壓紋波的簡短推導(dǎo)強調(diào)了其在低噪聲系統(tǒng)方面的獨特優(yōu)勢。

本系列的第2部分給出了使用ADI公司新型ADP5600實現(xiàn)IICP的實際示例。我們首先通過測量電壓紋波和輻射發(fā)射，將該器件與標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵進行比較。然后，我們使用第1部分中的公式來優(yōu)化IICP性能，并開發(fā)為低噪聲RF電路供電的完整解決方案。

傳統(tǒng)的負電壓產(chǎn)生方法

為了產(chǎn)生負電壓，通常采用以下兩種方法之一：使用電感式開關(guān)穩(wěn)壓器或使用電荷泵。電感開關(guān)使用電感器或變壓器產(chǎn)生負電壓。這些磁性轉(zhuǎn)換器拓撲的示例包括：反相降壓、反相降壓-升壓和 ?uk。在解決方案尺寸、成本、效率、噪聲產(chǎn)生和控制環(huán)路復(fù)雜性方面，每種方法都有其自身的優(yōu)缺點。1, 2通常，基于磁性元件的轉(zhuǎn)換器最適合需要更高輸出電流（> 100 mA）的情況。

對于需要小于100 mA輸出電流的應(yīng)用，電荷泵正負（反相）DC-DC轉(zhuǎn)換器可以非常小，并且由于不需要電感器或控制環(huán)路，因此具有低EMI。它們只需要通過開關(guān)在電容器之間移動電荷，將產(chǎn)生的電荷提供給輸出。

由于電荷泵不使用磁性元件（電感器或變壓器），因此它們的EMI通常低于電感開關(guān)拓撲。電感器往往比電容器大得多，非屏蔽電感器通過廣播輻射發(fā)射來充當(dāng)天線。相比之下，電荷泵中使用的電容產(chǎn)生的EMI不會比典型的數(shù)字輸出多。它們可以很容易地以短走線布線，以減少天線面積和電容耦合，從而降低EMI。

表1比較了基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器和開關(guān)電容反相拓撲。

傳統(tǒng)反相電荷泵

傳統(tǒng)反相電荷泵的配置如圖1所示。

圖1.反相電荷泵原理圖。

輸出阻抗，R外，電荷泵定義為電荷泵機制從輸入到輸出的等效電阻。通過測量輸入輸出電壓差并除以負載電流得出：

其中 GAIN = –1 表示反相電荷泵。

或者，等效輸出電阻可以計算為開關(guān)頻率、開關(guān)電阻和反激電容尺寸的函數(shù)，通常簡化為：

哪里

是四個開關(guān)電阻的總和。

四個開關(guān)中的每一個都以相同的頻率工作，fOSC，并且它們在切換周期 T 的一半內(nèi)處于打開狀態(tài)，其中 T = 1/fOSC.根據(jù)開關(guān)周期的兩半，操作可以分為兩相，如圖2所示。

圖2.每個操作階段的反相電荷泵。

圖3.反相電荷泵的時序圖。

圖3給出了電荷泵工作各階段的電壓和電流。在階段 1 中，S1 和 S2 關(guān)閉，S3 和 S4 打開。這會將跨接電容器 （CFLY） 充電至 +V 電壓在.在第 2 階段，來自 C 的能量飛通過打開 S1 和 S2 并關(guān)閉 S3 和 S4 放電到輸出中。兩個不同的工作階段意味著不連續(xù)電流流入C飛從 V在，并且不連續(xù)電流從 C 流出飛成 C外.這會導(dǎo)致 C 上的電壓紋波在和 C外，可以計算：

求解輸出電壓紋波可得到：

同樣，輸入電壓紋波為：

公式4和公式5說明，對于標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵，電壓紋波是開關(guān)頻率和輸入（或輸出）電容的函數(shù)。更高的頻率和更高的電容在1：1的關(guān)系中減少了這種紋波。然而，增加頻率存在實際障礙：即增加芯片的電流消耗，從而降低效率。

同樣，成本和PCB面積通常會限制反相電荷泵的最大輸入和輸出電容。另請注意，反激電容在電荷泵的電壓紋波中起不到任何作用。

為了減少紋波，可以在電荷泵周圍構(gòu)建輸入和輸出濾波器，但這又增加了電荷泵的復(fù)雜性和輸出電阻。然而，這些問題可以通過對標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵逆變器的新改進來解決：交錯式反相電荷泵（IICP）。

交錯式反相電荷泵 （IICP）

相位交錯廣泛用于電感開關(guān)穩(wěn)壓器（即多相操作），以減少輸出電壓紋波。3理論上，以正好50%占空比交錯的兩相降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生0 mV的輸出電壓紋波。當(dāng)然，穩(wěn)壓降壓轉(zhuǎn)換器的占空比隨輸入和輸出電壓而變化，因此只有當(dāng)V時才能實現(xiàn)50%的情況在= 2 V外.電荷泵通常正好以50%的占空比工作，因此考慮交錯式電荷泵逆變器很有趣。

當(dāng)芯片上需要非常低的電流負軌時，有時會在IC中使用交錯電荷泵，但目前還沒有商用專用的IICP負相DC-DC轉(zhuǎn)換器。IICP的結(jié)構(gòu)需要兩個電荷泵和兩個跨接電容器。第二個電荷泵與第一個電荷泵異相 180° 操作開關(guān)。讓我們看一下IICP的設(shè)置和輸出紋波，并重點介紹如何優(yōu)化其性能。設(shè)置如圖4所示，時序圖如圖5所示。

圖4.交錯式反相電荷泵。

圖5.交錯式反相電荷泵的時序圖。

在振蕩器的每一相中，其中一個跨接電容器連接到V在另一個連接到V外.乍一看，人們可能會認為增加第二個電容器只會將電壓紋波降低一半。但是，這是一種不準(zhǔn)確的過度簡化。事實上，輸入和輸出電壓紋波可能遠小于標(biāo)準(zhǔn)逆變器，因為電容器總是從輸入充電并向輸出放電。從IICP輸出電壓紋波的推導(dǎo)中可以更好地理解這一點。

IICP 輸出電壓紋波推導(dǎo)

由于IICP始終有一個跨接電容向輸出提供電流，因此可以簡化其輸出級，如圖6所示。

圖6.簡化的 IICP 輸出級。

此外，IICP的輸出電阻（如公式1中所定義）可由下式近似計算：

哪里

是開關(guān)電阻的總和。

將電流相加為 I負荷，我們到達：

其中 dt 等于開關(guān)周期的四分之一（T/4 或 1/（4 × fOSC)).輸出電壓紋波，?V外，是 dV外和 V中聯(lián)利（t） 是 C 兩端的電壓差飛.我們可以合理地假設(shè)輸出電壓紋波相對于跨接電容器電壓紋波很小。然后計算?V外，我們需要了解V中聯(lián)利從圖 6 中，請注意 I飛等于通過開關(guān)上兩個的電流。這些開關(guān)中的每一個都有 R 的電阻上.因此：

求解V的微分方程中聯(lián)利（t），必須知道至少一個初始條件。這種情況可以通過檢查圖 5 中的時序圖來發(fā)現(xiàn)。請注意，從 t = 0 到 t = T/4，兩個 C飛電容器向 I 提供電流負荷并收取 C外.然后，從 t = T/4 到 t = T/2，C飛和 C外有助于輸出負載電流。因此，在 t = T/4（類似地 t = 3/4 T）處，對 I 的貢獻負荷從 C外正好是 0。因此，此時此刻，我負荷等于 I飛和 V 的電壓中聯(lián)利由以下人員給出：

使用等式8和等式9，我們可以微分求解V中聯(lián)利（t）：

查找 V 中的增量中聯(lián)利對于等式 7，取兩個點（例如，t = 0 和 t = T/4），并為每個點求解等式 10。結(jié)果簡化為：

結(jié)合等式11和等式7，求解?V外給：

公式12的影響最初可能并不明顯。首先通過考慮理想開關(guān)（R上= 0 Ω).這樣做會使第二項幾乎為零，只留下第一項。第一項與標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵紋波非常相似（公式4），但IICP的雙飛接電容使分母增加了2×。兩倍的電荷泵產(chǎn)生一半的紋波。這個結(jié)果與直覺是一致的。

然而，等式12的重要部分在于后半部分。注意第二項的減號，表示該部分降低了輸出電壓紋波。關(guān)注開關(guān)電阻（R上）和跨接電容器（CFLY）。在標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵中，這些術(shù)語在降低輸出電壓紋波方面沒有任何作用。但在IICP中，開關(guān)電阻的作用是平滑充電和放電電流。雙飛接電容器允許這種充電/放電動作不間斷地發(fā)生。

輸出電壓紋波確認

我們可以使用電路仿真來檢查公式12的精度以及用于推導(dǎo)公式12的假設(shè)的有效性。使用LTspice可以輕松實現(xiàn)這一點。該仿真的原理圖如圖7所示，該文件可供下載。?

對各種條件進行了比較，結(jié)果摘要見表2。

表2顯示，公式12與仿真非常吻合，驗證了簡化方程時所做的假設(shè)。現(xiàn)在，我們可以使用該等式在 IICP 實現(xiàn)中進行權(quán)衡。

比較IICP和標(biāo)準(zhǔn)電荷泵之間的電壓紋波也很有啟發(fā)性。在本系列的第 2 部分中，我們將展示這些差異的臺架測試數(shù)據(jù)。但就目前而言，圖8中的LTspice模型可以說明輸出電壓紋波的差異。

圖7.LTspice中的交錯式反相電荷泵。

圖8.IICP與常規(guī)電荷泵的輸出電壓紋波：V在= 12 V， I負荷= 50 mA， C飛= 2.2 μF， C外= 4.7 μF， R上= 3 Ω.為了使比較與常規(guī)電荷泵公平，其R上減半，CFLY翻倍。

IICP 拓撲優(yōu)化

推導(dǎo)出IICP方程并證明其有效性后，有兩個主要結(jié)論：對于IICP，開關(guān)電阻（R上） 降低輸入和輸出電壓紋波，這是預(yù)期的結(jié)果。相反，在標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵中，開關(guān)電阻是完全不需要的，因為它增加了R外電荷泵，并且不會降低紋波電壓。事實上，我們可以通過放置一個與反激電容串聯(lián)的電阻來進一步增加開關(guān)電阻。這為我們提供了一個旋鈕來減少輸入和輸出電壓紋波，但代價是電荷泵電阻增加。我們將在本系列的第 2 部分中討論 IICP 的用例時進一步探討此旋鈕。

其次，跨接電容器的值及其與C的比率外，可以進行優(yōu)化以進一步優(yōu)化紋波。例如，在小型封裝中可能很難找到較大的輸出電容值，并且在較高電壓下電容會顯著降額。但是通過減少C外，然后增加 C飛，可以獲得相同的輸出電壓紋波，以獲得更可達到的電容值。例如，代替 C飛= 1 μF 和 C外= 10 μF，如果它們都設(shè)置為2.2 μF，則獲得幾乎相同的輸出電壓紋波。與10 μF/25 V電容相比，2.2 μF/25 V電容采用小型封裝更容易獲得。第 2 部分中的示例應(yīng)用程序?qū)Υ诉M行了探討。

結(jié)論

交錯式反相電荷泵拓撲的兩部分系列的第1部分到此結(jié)束。本部分介紹IICP拓撲背后的一般概念，包括輸入/輸出電壓紋波計算。通過推導(dǎo)控制輸入/輸出紋波的方程，可以深入了解如何優(yōu)化IICP解決方案的性能。

在本系列的第2部分中，我們將介紹ADP5600，這是一款適用于IICP拓撲的集成解決方案。我們測量其性能，并與標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵進行比較。最后，我們將所有這些結(jié)合在一起，為低噪聲相控陣波束成形解決方案提供動力。

審核編輯：郭婷