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运用于低噪声系统中的交错式反相电荷泵(IICP)拓扑设计

电子设计 ? 2020-12-21 15:17 ? 次阅读

精密仪器仪表或射频(RF)电路中的噪声必须最小化,但由于这些系统的特性,降低噪声要应对许多挑战。例如,这些系统常常必须在宽输入电压范围内工作,同时要满足严格的电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)要求。此外,系统中挤满了电子元器件,因而存在空间限制且对热敏感。集成电路(IC)日益提高的复杂度导致这些系统需要更多的电源电压轨。生成所有这些电压轨,满足上述要求,并使整个系统保持低噪声,是一个艰巨任务。

ADI公司提供了多种多样的解决方案来产生低噪声电源。这些解决方案中的大多数设计用于产生正电压轨,只有很少的专用IC用于产生负电压。当负电压需要为低噪声器件(如RF放大器开关和数据转换器ADC/DAC)供电时,选择范围特别有限。

本系列文章的第一部分将介绍一种从正电源产生这种低噪声负电压轨的新方法。首先简要说明负电压轨通常如何产生以及用在何处。然后,在介绍交错式反相电荷泵(IICP)拓扑之前,我们将讨论标准反相电荷泵。通过对IICP的输入和输出电压纹波的简短推导,强调其在低噪声系统中的特有优势。

该系列的第二部分将给出一个使用ADI公司新型ADP5600实现IICP的实际示例。首先通过测量电压纹波和电磁辐射骚扰来将此器件与标准反相电荷泵进行比较。然后使用第一部分中的公式来优化IICP性能,并开发出一种为低噪声RF电路供电的完整解决方案。

产生负电压的传统方法

为了产生负电压,通常采用以下两种方法之一:使用电感开关稳压器或使用电荷泵。电感开关稳压器利用电感或变压器产生负电压。这些磁转换器拓扑的例子有:反相降压、反相降压-升压和?uk。在解决方案尺寸、成本、效率、噪声产生和控制环路复杂性方面,每种拓扑都有其优点和缺点1,2。一般而言,基于磁性元件的转换器适合需要较高输出电流(>100mA)的应用。

对于所需输出电流小于100mA的应用,电荷泵正转负(反相)DC-DC转换器可以非常小,并且EMI低,因为不需要电感或控制环路。它们只需要通过开关在电容之间移动电荷——将产生的电荷提供给输出。

因为电荷泵不使用任何磁性元件(电感或变压器),所以其EMI通常比感性开关拓扑要低。电感往往比电容大得多,非屏蔽电感还会像天线一样广播电磁辐射骚扰。相比之下,电荷泵中使用的电容不会产生比典型数字输出更多的EMI。电荷泵可以用短走线轻松布线,以减少天线面积和容性耦合,从而降低EMI。

表1比较了基于电感的开关稳压器和开关电容反相拓扑。

表1.磁电荷泵与反相电荷泵的比较

pIYBAF_gSQWAM8OyAABfCryBAOg996.png

传统反相电荷泵

传统反相电荷泵的配置如图1所示。

pIYBAF_gSRGARIj6AABN8BkkidE891.png

图1.反相电荷泵原理图。

电荷泵的输出阻抗ROUT定义为电荷泵机制从输入到输出的等效电阻。它可以通过测量输入至输出电压差并除以负载电流来求得:

pIYBAF_gSR-AGWY1AAAWieL_mkw631.png

对于反相电荷泵,GAIN=–1。

或者,等效输出电阻可以作为开关频率、开关电阻和反激电容大小的函数来计算,一般简化为:

pIYBAF_gSSuADxrlAAAYR2Z9sY8981.png

其中

pIYBAF_gST6AChSUAAAGriGf9X0473.png

为四个开关电阻之和。

四个开关以相同频率fOSC工作,每个都在开关周期T的一半时间内处于导通状态,其中T=1/fOSC。基于开关周期的两部分,可以将操作分为两个阶段,如图2所示。

pIYBAF_gSVKAKX1IAACnheyDW9E169.png

图2.电荷泵在每个操作阶段都要反相。

o4YBAF_gSWWABVXdAAC6zjt2tC0278.png

图3.反相电荷泵的时序图。

图3给出了电荷泵各阶段操作的电压和电流。在阶段1中,S1和S2闭合,S3和S4断开。这会将飞跨电容(CFLY)充电至+VIN的电压。在阶段2中,S1和S2断开,S3和S4闭合,来自CFLYIN流入CFLY,断续电流从CFLY流出到COUT。这会导致CIN和COUT上出现电压纹波,纹波可以计算如下:

pIYBAF_gSXiAWT6GAAAStPoyk8g024.png

求解输出电压纹波可得:

o4YBAF_gSY-AdRiAAAAXdVziTZg098.png

同样,输入电压纹波为:

o4YBAF_gSaOAHZIXAAAVlvGwntM765.png

公式4和公式5说明,对于标准反相电荷泵,电压纹波是开关频率和输入(或输出)电容的函数。更高的频率和更高的电容会以1:1的关系减少纹波。然而,提高频率存在实际障碍——这会增加芯片的电流消耗,从而降低效率。/p>

同样,成本和PCB面积常常会限制反相电荷泵的最大输入和输出电容。另请注意,反激电容在电荷泵的电压纹波中不起作用。

为了减少纹波,可以在电荷泵周围构建输入和输出滤波器,但这又会提高复杂性和电荷泵的输出电阻。不过,这些问题可以通过对标准反相电荷泵逆变器进行改进来解决:交错式反相电荷泵(IICP)。

交错式反相电荷泵(IICP)

相位交错广泛用于感性开关稳压器(即多相操作)中,目的是减少输出电压纹波3。以恰好50%的占空比交错的2相降压转换器,理论上产生0mV的输出电压纹波。当然,稳压降压转换器的占空比会随输入和输出电压而变化,因此只有VIN=2VOUT时才能实现50%的占空比。电荷泵通常以恰好50%的占空比工作,因此,交错式电荷泵逆变器值得考虑。/p>

当裸片上需要极低电流的负轨时,有时会在IC内使用交错式电荷泵,但目前尚无商用的专用IICP反相DC-DC转换器。IICP的结构需要两个电荷泵和两个飞跨电容。第二电荷泵与第一电荷泵以180°错相操作开关。我们来看一下IICP的设置和输出纹波,并重点说明如何优化其性能。设置如图4所示,时序图如图5所示。

pIYBAF_gScGAAEIlAAHmjXvPlY0033.png

图4.交错式反相电荷泵。

pIYBAF_gSdCAdz57AAGpd0ggV-g565.png

图5.交错式反相电荷泵的时序图。

振荡器的每一相中,飞跨电容之一连接到VIN,另一个连接到VOUT。乍一看,有人可能会认为添加第二个电容只会将电压纹波减小一半。但是,这是不准确的过度简化。实际上,输入和输出电压纹波可能远小于标准逆变器,因为电容始终从输入端充电并向输出端放电。从IICP输出电压纹波的推导过程可以更好地理解这一点。

IICP输出电压纹波推导

由于IICP总是有一个飞跨电容向输出提供电流,因此可以简化其输出级,如图6所示。

pIYBAF_gSduATsnyAABVhHvSy3U436.png

图6.简化的IICP输出级。

此外,IICP的输出电阻(如公式1所定义)可近似为:

pIYBAF_gSeeAZQ1mAAApVlknrFg192.png

其中

pIYBAF_gSfKAIiz6AAANMmrSnTM681.png

为开关电阻之和。

将电流加到ILOAD中,我们得出:

o4YBAF_gSfyAHv1dAAAyTrqfbvk780.png

其中dt等于开关周期的四分之一(T/4或1/(4×fOSC))。输出电压纹波?VOUT为dVOUT,VCFLY(t)为CFLY两端的电压差。我们可以合理地假设,相对于飞跨电容电压纹波,输出电压纹波很小。为了计算?VOUT,我们需要了解VCFLY(t)。从图6可知,IFLY等于流经两个导通开关的电流。每个开关有RON的电阻。所以:

pIYBAF_gSgeAR0SjAAA2S0DQ1WY431.png

为了求解VCFLY(t)的这个微分方程,必须知道至少一个初始条件。此条件可通过查阅图5中的时序图得知。请注意,从t=0到t=T/4,两个CFLY电容均向ILOAD提供电流,并对COUT充电。然后,从t=T/4到t=T/2,CFLY和COUT向输出负载提供电流。在t=T/4(及类似的t=3/4T)时刻,COUT对ILOAD的贡献恰好为0。所以,此时ILOAD等于IFLY,而VCFLY的电压为:

o4YBAF_gShOACzIJAABI2SxrwpU982.png

使用公式8和公式9,我们可以微分求解VCFLY(t):

pIYBAF_gSiWADsiaAABsqbHioe0048.png

为了求得公式7的VCFLY变化量,取两个点(例如t=0和t=T/4),对每个点求解公式10。结果简化为:

pIYBAF_gSjOARbMBAAAwT-uyzWM413.png

结合公式11和公式7,求解?VOUT得出:

pIYBAF_gSj-AZnd4AABcHKxsy5I090.png

公式12的影响最初可能并不明显。先通过考虑理想开关的情况(RON=0Ω)来简化它可能会有帮助。这样做会使第二项接近于零,仅留下第一项。第一项非常类似于标准反相电荷泵纹波(公式4),但IICP的双飞跨电容使分母增大2倍。两倍的电荷泵使波纹减半。该结果与直观判断一致。

但是,公式12的重要部分是后半部分。注意第二项的负号,这意味着该部分会减小输出电压纹波。重点看导通电阻(RON)和飞跨电容(CFLY)。在标准反相电荷泵中,这些项在降低输出电压纹波方面不起作用。但在IICP中,导通电阻会起到让充电和放电电流平滑的作用。双飞跨电容使这种充电/放电动作不会中断。

输出电压纹波验证

我们可以利用电路仿真来检查公式12的准确性以及用于推导该公式的假设的有效性。使用LTspice?很容易完成这项工作。该仿真的原理图如图7所示,文件可供下载。

在多种条件下进行了比较,结果汇总于表2。

表2.各种配置的理论结果与LTspice仿真结果的比较

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表2显示,公式12与仿真非常接近,从而验证了简化公式时所做假设的有效性。现在,我们可以使用该公式权衡在IICP实现中不同做法的利弊。

比较IICP和标准电荷泵的电压纹波也很有帮助。在本系列的第二部分中,我们将展示这些不同的平台实验数据的差异性。但现在,图8中的LTspice模型可以说明输出电压纹波的差异。

pIYBAF_gSqKALxffAAGKmTbf4Rs938.png

图7.LTspice中的交错式反相电荷泵。

o4YBAF_gSrCAEAaaAAJZiG-RBtc179.png

图8.IICP与常规电荷泵的输出电压纹波比较:VIN=12V,ILOAD=50mA,CFLY=2.2μF,COUT=4.7μF,RON=3Ω。为了直观地与常规电荷泵进行比较,其RON减半且CFLY加倍。

IICP拓扑优化

推导完IICP公式并证明其有效性后,我们得出两个主要结论:对于IICP,导通电阻(RON)会同时减少输入和输出电压纹波,这是很理想的结果。相反,在标准反相电荷泵中,导通电阻是完全不适宜的,因为它会增加电荷泵的ROUT,而且不会降低纹波电压。实际上,我们可以在反激电容上串联一个电阻来进一步增加导通电阻。这就为我们以增加电荷泵电阻为代价来减少输入和输出电压纹波提供了一种手段。在本系列第二部分讨论IICP的使用案例时,我们会进一步探讨这种手段。

其次,可以优化飞跨电容的值及其与COUT的比率,以进一步优化纹波。例如,小型封装的大输出电容可能很难找到,而且在较高电压下电容会明显降额。但是,通过减小COUT,然后增大CFLY,可以获得相同的输出电压纹波,而电容值更容易获得。例如,不需要CFLY=1μF且COUT=10μF,而是将它们都设置为2.2μF,两种情况下获得的输出电压纹波几乎相同。与10μF/25V电容相比,小型封装的2.2μF/25V电容更容易获得。第二部分中的示例应用对此进行了探讨。

结论

以上是关于交错式反相电荷泵拓扑的系列文章(分两部分)的第一部分。本部分介绍了IICP拓扑的一般概念,包括输入/输出电压纹波计算。输入/输出纹波公式的推导得出了关于如何优化IICP解决方案性能的重要见解。

本系列的第2部分将介绍ADP5600,这是一款用于IICP拓扑的集成解决方案。我们将测量其性能,并与标准反相电荷泵进行比较。最后,我们将把所有相关内容组合在一起来为一个低噪声相控阵波束成型解决方案供电。

参考电路

1JainoParasseril。“如何使用μModule降压稳压器从正输入产生负输出电压”。凌力尔特

2KevinScottandJesusRosales。“?uk组合式转换器和反相电荷泵转换器之间的区别”。ADI公司。

3MajingXie。“大功率、单电感、表贴降压-升压μModule稳压器处理36VIN、10A负载”。凌力尔特,2008年3月。

致谢

SherlynDelaCruz、AlexIlustrisimo和RogerPeppiette
编辑:hfy

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HU3031D是一款低噪声、恒频(1.2MHz)开关电容电压倍增器。它能产生从1.8V到5V输入的可....
发表于 12-10 08:00 ? 392次 阅读
HU3031D低噪声稳压电荷泵DCDC变换器芯片的数据手册

重思、重构与重升

2020,在迈入新的十年之际,我们遭遇了一次史无前例的事件 。新冠肺炎疫情给人们的生活带来了极大的影....
的头像 21克888 发表于 12-08 09:51 ? 812次 阅读
重思、重构与重升

电荷泵快充原理

小米10至尊纪念版4500mAh的电池只需23分钟就能够充满100%电量,充电之快,令人难以置信,其....
发表于 12-07 15:38 ? 419次 阅读
电荷泵快充原理

相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

为实现栅瓣可视化,可以将其类比为采样系统中的混叠现象。在模数转换器(ADC)中,接收器结构通常会对频....
发表于 12-07 11:46 ? 305次 阅读
相控阵天线方向图——第2部分:栅瓣和波束斜视

ADI推出全新四频段VCO 提供更低相位噪声及低水平电流消耗

四频段VCO系列提供超宽带功能,基波频率范围为8.3 GHz至26.6 GHz。除了提供低相位噪声性....
发表于 12-05 11:55 ? 247次 阅读
ADI推出全新四频段VCO 提供更低相位噪声及低水平电流消耗

一文知道RIMAC C_2电磁兼容性试验

在Rimac,精确开发和高级工程就是一切。因此,为了在明年第一批客户交付之前进行最新的开发测试阶段,....
发表于 12-04 09:40 ? 127次 阅读
一文知道RIMAC C_2电磁兼容性试验

Linear DC/DC控制器LTC3780的功能及应用

Linear推出的LTC3780 的高可靠性 (MP) 级新版本,该器件是一个非常高效率的同步降压-....
发表于 12-03 12:18 ? 144次 阅读
Linear DC/DC控制器LTC3780的功能及应用

采用ADI解决方案的地震信号检测网络系统设计

地震对密集的商业和住宅区以及所有类型的建筑物构成了重大威胁。随着这些区域越来越大,建筑物越来越多,地震监测需要实现一个广...
发表于 12-01 06:36 ? 0次 阅读
采用ADI解决方案的地震信号检测网络系统设计

ADI:70 GHz、线性dB RMS功率检波器

LTC5597可以测量低至-37 dBm的信号,比肖特基器件的范围宽10 dB,因此可以节省信号链路....
发表于 11-30 15:01 ? 86次 阅读
ADI:70 GHz、线性dB RMS功率检波器

超低功率开关稳压器TPS62840的主要特性和优点

一款超低功率开关稳压器TPS62840
发表于 11-30 07:32 ? 0次 阅读
超低功率开关稳压器TPS62840的主要特性和优点

生命体征监测技术:对人体实施状态监控

心率超出正常范围可能表明存在诸如心动过缓(心率过低时)或心动过速(心率过高时)等疾病。呼吸是另一个关....
发表于 11-27 11:28 ? 734次 阅读
生命体征监测技术:对人体实施状态监控

来自ADI的独家资料,最新《模拟对话》合集快来下载鸭~

最新一季《模拟对话》打包来袭,需要的小伙伴可不能错过哦~自创刊号至今,《模拟对话》一向是ADI最先进信号采集与处理技术的传...
发表于 11-17 11:26 ? 808次 阅读
来自ADI的独家资料,最新《模拟对话》合集快来下载鸭~

如何使用肖特基二极管减少干扰?这篇告诉你了

在负载点(POL)降压转换器领域,同步变化的高边和低边有源开关已被广泛使用。图 1 显示了具有理想开关的此类电路。与使用无源肖...
发表于 11-11 09:08 ? 582次 阅读
如何使用肖特基二极管减少干扰?这篇告诉你了

什么是热回路?

热回路究竟是什么
发表于 11-05 07:50 ? 0次 阅读
什么是热回路?

内部集成有高边高压功率降压型开关稳压器

ZCC2451是一款内部集成有高边高压功率MOSFET管的高频率(2 MHz)降压型 开关稳压器。提供单路最大0.6A高效率输出,以...
发表于 10-30 16:33 ? 316次 阅读
内部集成有高边高压功率降压型开关稳压器

6B11 热电偶输入:mV / Volt输入:电流输入:信号调节模块

信息优势和特点 2500V CMV Version Available 6B11-HV Accepts mV, V, I, and Common TC Inputs (J, K, T, E, R, S, B) National Instruments Labview Supported RS-485 接口Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:16 ? 134次 阅读
6B11 热电偶输入:mV / Volt输入:电流输入:信号调节模块

AC1367 电压开关输入模块

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统产品详情AC1367是一款电压开关输入模块,支持将高电平预调理模拟信号方便、低成本、安全地连接到5B系列背板连接器。这个模块接受-5V至+5V输入,提供-5V至+5输出,同时能够保护计算机侧电路免受现场侧过压故障影响。输入信号无增益或衰减,输出未隔离。此外,AC1367模块支持混搭使用和热插拔,可以在不中断系统电源的情况下将其插入或拔出同一背板中的任何插槽。...
发表于 04-18 19:15 ? 71次 阅读
AC1367 电压开关输入模块

AC1352 电源连接器

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发表于 04-18 19:15 ? 89次 阅读
AC1352 电源连接器

AC1362 20 Ω电流检测电阻

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统产品详情AC1362是一款完全密封的20 Ω、0.1%(典型值)、1/8 W、20 ppm/°C即插即用式替换电阻。
发表于 04-18 19:15 ? 104次 阅读
AC1362 20 Ω电流检测电阻

AC1360 单通道评估板

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统产品详情AC1360是一款单通道测试或评估板,既可以利用Phoenix UM通用模块元件安装在DIN轨上,也可以利用附带的4个支柱安装在工作台/墙壁上。该模块针对所有输入、输出、控制和电源连接提供螺纹接线端子。
发表于 04-18 19:15 ? 109次 阅读
AC1360 单通道评估板

AC1361 CJC传感器

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发表于 04-18 19:15 ? 168次 阅读
AC1361 CJC传感器

AC1363 机架安装套件

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发表于 04-18 19:15 ? 50次 阅读
AC1363 机架安装套件

AC1345 带CJC传感器的独立模块安装套件

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发表于 04-18 19:15 ? 142次 阅读
AC1345 带CJC传感器的独立模块安装套件

AC1351 用户设计的3B系列模块,外壳和连接器

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统产品详情The AC1351 is a kit which contains a individual blank case and connectors to enable the construction of a user-designed 3B-type module using their own PC board and design.
发表于 04-18 19:15 ? 50次 阅读
AC1351 用户设计的3B系列模块,外壳和连接器

AC1350 用户设计的3B系列模块

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发表于 04-18 19:15 ? 321次 阅读
AC1350 用户设计的3B系列模块

AC1341 6英尺直流电源线

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发表于 04-18 19:15 ? 98次 阅读
AC1341 6英尺直流电源线

AC1342 电流转换电阻

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发表于 04-18 19:15 ? 91次 阅读
AC1342 电流转换电阻

AC1324 模拟I/O用接口板

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发表于 04-18 19:15 ? 207次 阅读
AC1324 模拟I/O用接口板

AC1310 3B系列定制范围调整模块

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发表于 04-18 19:15 ? 126次 阅读
AC1310 3B系列定制范围调整模块

AC1330 19英寸机架安装套件

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发表于 04-18 19:15 ? 158次 阅读
AC1330 19英寸机架安装套件

AC1331 16通道表面安装套件

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发表于 04-18 19:14 ? 112次 阅读
AC1331 16通道表面安装套件

AC1332 8通道表面贴装套件

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发表于 04-18 19:14 ? 108次 阅读
AC1332 8通道表面贴装套件

AC1307 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC (+800/-225mA)和+24V DC (350mA)输出

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AC1307 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC (+800/-225mA)和+24V DC (350mA)输出

AC1301 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC、±350mA输出

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统产品详情AC1301是一款AC/DC双输出、±15 V DC电源,提供±350 mA的电流。利用附带的安装夹和硬件,可以将其安装在3B01、3B02或3B03背板上。工作温度范围为-25°C至+70°C。
发表于 04-18 19:14 ? 121次 阅读
AC1301 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC、±350mA输出

AC1315 I / O背板电缆

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发表于 04-18 19:14 ? 132次 阅读
AC1315 I / O背板电缆
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