智能电路提高电荷泵和线性稳压器解决方案的效率

作者：Kevin Scott and Martin Merchant

在某些系统中，电荷泵加线性稳压器组合优于基于电感的开关电源（带或不带后置稳压线性稳压器），原因如下：设计简单、辐射EMI少、电感恐惧症等。对于这些应用，凌力尔特拥有越来越多的电荷泵，集成线性稳压器解决方案，提供低输出电压噪声替代方案。

当效率是一个问题时，电荷泵可以提供的输出电压组合相当有限。电荷泵非常适合使输入电压加倍或反相。它们还擅长提供一半的输入电压。下面的图1a和图1b显示了当输出端需要一半的输入电压时，电荷泵电路的两相（电荷泵开关位置和电流）。交换机 S2 和 S4 的位置已交换，以简化电路的绘制。

图 1a. 1/2 V在电荷泵，第一开关阶段

注意，在电荷泵周期的第一阶段，跨接电容和输出电容串联放置，然后在第二相并联放置，以获得输入电压的一半。该电路适用于正输入电压和负输入电压，即如果输入为正，则输出为正输入的一半，如果输入为负，则输出为负输入的一半。但是，如果唯一可用的输入电压是正电压，而需要输入电压一半的负电压，该怎么办？对于优先考虑更高效率的设计，有时就是这种情况。例如，如果输入电压为5V，需要低噪声–1.8V，该怎么办？使用简单的电荷泵和线性稳压器会导致解决方案效率非常低;5V以大约80%的效率（假设的电荷泵效率）反相至–5V，然后在低至–1.8V时线性调节。线性稳压器效率非常低（V外/–V在= 36%），当与电荷泵效率结合使用时，级联效率仅为29%。如果电荷泵能够提供–2.5V，线性稳压器效率将增加到72%（–1.8V/–2.5V），从而使级联效率加倍。请记住，线性稳压器必须具有非常低的压差（在本例中小于–200mV），才能在所需的电流水平下提供–1.8V稳压输出电压。

从5V输入提供–2.5V的电路是理想的，但如前所述，这仅在输入和输出极性相同时才有效。问题出现是因为要反转输入电压，跨接电容和输出电容需要同时浮动，然后并联，但根据上面的电荷泵电路图，似乎没有办法做到这一点。

图2所示的巧妙LTC3260电路为这一难题提供了解决方案。使用外部肖特基二极管开关，电路产生的负输出电压约为输入的一半（减去肖特基二极管两端的压降），但极性相反，负电源的功耗较低。

图2.高效反相低噪声解决方案

LTC®3260 是一款单输入电压、双极性输出、无电感、低输出电压噪声电源，其包括一个反相充电泵和两个线性稳压器，以提供一个小尺寸的正输出和负输出电源。该器件采用一个 4.5V 至 32V 的正输入电压，并使用一个 50mA 低噪声线性稳压器和 800mV 最大压差 （室温下） 来产生正输出。它使用电荷泵反相输入电压;该负输出电压之后还跟一个50mA低噪声线性稳压器。该组合提供了一个约100μV的简单双极性电源有效值输出噪声和输出电压低至 ±1.2V。

电路的工作原理如下：

当开关 S1 和 S2 闭合（S3 和 S4 开路）时，两个串联电容器的充电电流约为输入电压的一半 （（V在– VC1–VC2– VF） = 0V，其中 VF是肖特基二极管的前向压降。由于两个电容器的尺寸相同，VC1= VC2= VC，方程简化为 V在= 2VC– VF.

图3.~1/2反相电荷泵的第一阶段

当 S3 和 S4 关闭（S1 和 S2 打开）时，C+ 处于地电位（图 4）。由于电容器两端的电压不能瞬时变化，因此C-处的电压将为–VC+ VF.输出有效地看到D1二极管压降和C2串联组合与C3和D3的串联组合并联。如果不使用二极管，电路将简单地调节至–V在而不是 ~1/2V在.

图4.~1/2反相电荷泵的第二阶段

如果输入电压为15V，期望输出为±5V @ 50mA输出，并再次假设电荷泵的效率为80%，则以下两种情况是：

案例 1.标准反相电荷泵

正电源：15V 线性稳压至 5V = 33% 效率

负电源：15V 反相，效率为 80%，线性稳压至 –5V = 26.4% 效率 （0.8*–5V/–15V）。

案例 2.2分频反相电荷泵电路

正电源：15V 线性稳压至 5V = 33% 效率

负电源：15V反相并分频2;V外= 6.25V。

在情况2中，由于肖特基二极管，电荷泵的效率略低，但线性稳压器效率提高到约80%，大大提高了整体效率。

除了裸露焊盘 MSOP-16 封装 （4.9mm × 4mm 封装外，LTC3260 还提供节省空间的 4mm × 3mm DFN-16 封装。其他凌力尔特充电泵和线性稳压器解决方案包括 LTC3265（一款低噪声双电源解决方案，具有升压和反相充电泵以及低噪声 ±50mA 线性后置稳压器）和 LTC3256（一款 38V 输入电压、降压型充电泵转换器，具有一个 350mA 充电泵，后接一个 250mA 低噪声线性稳压器）。所有这些解决方案都为不首选基于电感的解决方案的应用提供了低EMI、低噪声、集成电源解决方案。如LTC3260电路所示，效率可能远高于采用这种创造性电路设计技术所能想象的。

审核编辑：郭婷