一款通用高壓降壓型開關電容器轉換器的設計與實現

背景信息

充電泵?(或稱開關電容器電壓轉換器)?填補了線性穩壓器和基于電感器的開關穩壓器之間的性能空白，為不喜歡電感器的工程師提供了另一種設計選擇。與?LDO?相比，充電泵需要一個額外的電容器?(“浮動”電容器)?才能工作，但一般來說成本僅略有增加，同時充電泵具有更高的輸出噪聲電平，而且輸出電流能力通常較弱。不過，充電泵也有一些線性穩壓器所沒有的優勢，例如效率更高、由于較高效率工作而產生更好的熱量管理、能夠升壓和降壓或者產生負電壓。當與常規開關穩壓器相比較時，充電泵的輸出電流能力較弱，效率較低。但是充電泵更簡單，易于設計，而且不需要電感器。最近在工藝技術領域取得的進步使得能夠相對于以前各代產品擴大了充電泵的輸入電壓范圍。表?1?比較了上述各種拓撲的關鍵性能參數。

表?1：LDO、充電泵和開關穩壓器的性能比較

充電泵?IC?用電容器作為儲能元件來產生輸出電壓。例如，考慮圖?1?所示的基本“倍壓器”充電泵電路。該電路采用單個浮動電容器?(圖中的?CFLY)?和?4?個由兩相時鐘驅動的內部開關?(內有“x”的圓圈)，產生比輸入電壓大一倍的輸出電壓。在時鐘的第一個相位?(圖中的?θ1)，一對開關給浮動電容器充電，使其達到輸入電壓?(VIN)。在時鐘的第二個相位?(圖中的?θ2)，第三個開關將該電容器的負端連接至?VIN，在電容器的正端有效地產生?2?*?VIN。第四個開關將浮動電容器的正端連接到輸出電容器。在無負載情況下，電荷將在每個周期中傳送到輸出電容器，直至輸出充電至?2?*?VIN?為止，從而產生等于兩倍輸入電壓。當存在輸出負載時，輸出電容器?(圖中的?COUT)?在第一個相位上提供負載電流，而在第二個相位上，浮動電容器提供負載電流，并給輸出電容器充電。為了傳送電荷，輸出將穩定在一個略低于?2?*?VIN?的電壓上。輸出電容器在兩個時鐘相位上的充電和放電產生了輸出紋波，該紋波是輸出電容器值、時鐘頻率和輸出負載電流的函數，

圖?1：基本的充電泵倍壓器電路

其他所有充電泵電路拓撲都是以這一基本電路為基礎的，只是增加?/?改變開關和電容器以及時鐘相位數量而已。視控制器和電路拓撲的不同而不同，充電泵可以產生任意大小的輸出電壓，例如?2?倍、3?倍于輸入電壓的輸出電壓，等于輸入電壓一半的輸出電壓、負輸出電壓，與輸入電壓成分數比例的輸出電壓，如等于輸入電壓?3/2、4/3、2/3?的輸出電壓。在接近理想充電比時，充電泵的效率可以非常高。在上述的倍壓器例子中，理想情況下，輸入電源電流等于輸出負載電流的兩倍，輸入功率等于輸出功率?，F實情況是，由于靜態工作電流和其他損耗，效率略低于理想情況。充電泵用途廣泛，可用于多種應用和細分市場。充電泵由于采用了創新性設計方法而更加堅固，為應用于嚴酷的工業和汽車環境創造了機會。

汽車和工業設計面臨的挑戰

為汽車應用設計電子系統極富挑戰性，原因有很多，包括寬工作溫度范圍、嚴格的?EMI?(電磁干擾)?和瞬態要求以及汽車?OEM?(原始設備制造商)?所要求的高質量。汽車儀表板內非常擁擠，塞滿了電子產品。雪上加霜的是，還有從藍牙到基于手機的網絡連接等各種無線系統。因此，當務之急是，給這種散熱受限的環境增加任何組件，都要注意不能產生過多的熱量或太大的?EMI。對于輻射型和傳導型電磁干擾、抗輻射和傳導性或輻射和傳導敏感性以及靜電放電?(ESD)，都有嚴格的電磁兼容性?(EMC)?要求。能否滿足這些要求影響到?IC?設計的多種性能。充電泵?(無磁性元件，無電感器)?的低?EMI?和低噪聲輸出使其成為理想選擇。充電泵一般比電感性開關的?EMI?低，因為浮動電容器的連接線可以最大限度地縮短，以減輕容性耦合和天線效應。電感器往往比電容器大，其作用如同天線，尤其是未屏蔽時。在現實情況下，與典型數字輸出相比，浮動電容器輸出根本不會產生更高的?EMI。實際上，它們產生的?EMI?反而更低，因為電路板走線被盡量縮短了。