交錯式反相電荷泵：實(shí)現和結果

作者：on Kraft and Alexander Ilustrisimo

介紹

在本系列的第1部分中，我們介紹了一種從正電源產(chǎn)生低噪聲負電源軌的獨特方法，并介紹了控制其工作的方程的推導。第2部分深入探討了這種交錯式反相電荷泵（IICP）實(shí)現與ADI公司新型ADP5600的實(shí)際示例。我們將ADP5600的電壓紋波和輻射發(fā)射與標準反相電荷泵進(jìn)行比較，以展示交錯如何改善低噪聲性能。我們還使用第1部分中的方程來(lái)優(yōu)化該解決方案的性能，將其應用于低噪聲相控陣波束成形電路。

全球首款商用交錯式反相電荷泵

如第1部分所述，IICP用于集成電路中以產(chǎn)生小的負偏置軌。ADP5600獨特地將低噪聲IICP與其他低噪聲特性和高級故障保護相結合。

ADP5600是一款交錯式電荷泵逆變器，集成低壓差（LDO）線(xiàn)性穩壓器。與傳統的電感或電容解決方案相比，其獨特的電荷泵級表現出更低的輸出電壓紋波和反射輸入電流噪聲。交錯作為一種低噪聲概念是聰明的，但交錯通道并不是解決噪聲問(wèn)題的萬(wàn)能藥。要實(shí)現真正的低噪聲，需要專(zhuān)門(mén)設計的IC，以實(shí)現IICP的低噪聲優(yōu)勢，同時(shí)保持解決方案尺寸小而高效。

固定和可編程開(kāi)關(guān)頻率

許多反相電荷泵的工作頻率為幾百kHz。這種相對較低的頻率限制需要相對較大的電容器，并限制可以放置頻率雜散的位置。ADP5600的工作開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz至1.1 MHz，因此可以有效地用于現代系統。此外，該頻率始終是固定的——頻率與輸出負載沒(méi)有變化。開(kāi)關(guān)頻率變化（擴頻頻率調制）通常用于提高電荷泵的效率，但它可能會(huì )在噪聲敏感系統中產(chǎn)生問(wèn)題。

外部頻率同步

許多低噪聲系統需要將高幅度開(kāi)關(guān)噪聲放入定義的頻段，其中產(chǎn)生的噪聲對系統的影響最小?？紤]到這一點(diǎn)，轉換器的工作頻率在噪聲敏感系統中是同步的，但同步在電荷泵逆變器中很少見(jiàn)。相比之下，ADP5600可以同步至高達2.2 MHz的外部時(shí)鐘。

低壓差常規

由于A(yíng)DP5600覆蓋較寬的輸入電壓范圍，其電荷泵輸出電壓可能過(guò)高，無(wú)法為較低電壓電路供電。因此，ADP5600內置一個(gè)LDO后置穩壓器。它還具有一個(gè)以正電壓為基準的電源良好引腳，以便在LDO輸出處于穩壓狀態(tài)時(shí)輕松進(jìn)行電源排序。

故障保護

最后，ADP5600包括一套全面的故障保護功能，適用于魯棒應用。這包括過(guò)載保護、短路跨接電容器保護、欠壓鎖定 （UVLO）、精密使能和熱關(guān)斷。另一個(gè)新穎功能是跨接電容電流限制，還可以降低為飛橋電容充電時(shí)的峰值電流尖峰。

來(lái)自ADP5600的測試數據

第 1 部分提供了理論證明，與非交錯解決方案相比，IICP 架構顯著(zhù)改善了紋波。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，第1部分所示的推導非常理想——它們忽略了寄生效應、布局依賴(lài)性（IC和PCB）、時(shí)序失配（即不完美的50%振蕩器）和RDS錯位。這些因素導致與計算和測量的電壓紋波有些偏差。與往常一樣，最好將ADP5600投入使用，觀(guān)察其性能，并使用推導的公式來(lái)指導電路優(yōu)化以獲得最佳性能。

此處使用標準ADP5600評估板，但插入了R飛，以及對 C 值的修改飛和 C外.此外，我們還使用ADP5600的SYNC功能來(lái)改變開(kāi)關(guān)頻率。圖1中的框圖顯示，各個(gè)電荷泵的開(kāi)關(guān)頻率是該SYNC頻率的一半;也就是說(shuō)，FOSC= 1/2 f同步.

圖3和圖4分別顯示了交錯和非交錯反相電荷泵在相同條件下工作的輸出電壓紋波。

圖1.ADP5600交錯式反相電荷泵簡(jiǎn)化框圖

圖2.ADP5600交錯式反相電荷泵測試設置

圖3.ADP5600 IICP輸出電壓，電壓在= 6 V， C外= C飛= 2.2 μF， fOSC= 250 kHz， I負荷= 50 mA。

圖4.標準反相電荷泵輸出電壓，帶V在= 6 V， C外= C飛= 2.2 μF， fOSC= 250 kHz， I負荷= 50 mA。

在這些條件下，ADP5600的輸入和輸出電壓紋波比傳統反相電荷泵低近14倍。我們還可以確定該電壓紋波是否與本系列第1部分中推導的方程相匹配?；叵胍幌碌?1 部分，IICP 的輸出（或輸入）電壓紋波由下式給出：

使用公式1，用實(shí)值代入R。外和 R上，可以比較計算和測量的輸出電壓紋波。表1給出了各種測試配置的這些結果，并指出了與非交錯電荷泵實(shí)現方案相比的改進(jìn)。

表1顯示，交錯電壓紋波與公式1的預測非常吻合。還顯示了與標準非交錯式反相電荷泵相比的改進(jìn)。此表中的某些設置還包括一個(gè)額外的外部電阻 R飛，與 C 串聯(lián)連接飛.這些結果表明，R飛進(jìn)一步降低了電壓紋波，但以電荷泵輸出電阻為代價(jià)。公式1和本系列第1部分的分析也預測了這一點(diǎn)。

除了輸出電壓紋波外，IICP的輻射發(fā)射也比標準電荷泵有所改善。為了測量這一點(diǎn)，在評估板上放置了一個(gè)25 mm天線(xiàn)（圖5），并測試了各種配置。圖6顯示了這種配置與標準非交錯式電荷泵逆變器的比較。IICP拓撲使第一次和第三次開(kāi)關(guān)諧波的噪聲降低12 dB至15 dB。

圖6.輻射發(fā)射，V在= 12 V， I負荷= 50 mA， C飛= C外= 2.2 μF， f同步= 500 kHz。綠色 = 標準，藍色 = IICP。

IICP的應用實(shí)例

數據轉換器、RF放大器和RF開(kāi)關(guān)需要低噪聲電源。這些系統中電源設計面臨的主要挑戰是：

功耗和高溫操作

抗擾度和低電磁干擾貢獻

大輸入電壓范圍

最小化解決方案尺寸和占用空間

為了說(shuō)明IICP的完整設計和優(yōu)勢，我們考慮一個(gè)為RF放大器、RF開(kāi)關(guān)和相控陣波束成形器供電的應用。該應用包含在A(yíng)DTR1107數據手冊中，并復制于圖7。

圖7.ADAR1000 外加 1107 個(gè) ADTR<> 電源軌。

圖8.ADP5600 和 LT3093 用于為 AVDD1 和 VSS_SW 供電。

在本例中，需要幾個(gè)高功率正電壓軌，這些電源軌留作電感式降壓轉換器的工作。還需要兩個(gè)負電源軌：AVDD1 和 VSS_SW.ADAR1000 使用 AVDD1 生成用于VGG_PA和LNA_BIAS的低噪聲偏置軌。AVDD1 在 50 mA 時(shí)為 –5 V，VSS_SW 為 –3.3 V/<100 μA 電源軌，發(fā)往 ADTR1107 內的 RF 開(kāi)關(guān)。每個(gè)ADAR1000使用四個(gè)ADTR1107，因此–3.3 V電源軌的最大功耗為1 mA。通常，這些系統的電源軌為12 V。

ADP5600是12 V電壓下產(chǎn)生–5 V/50 mA電壓和–3.3 V/1 mA電源軌的理想選擇，因為它可實(shí)現低輸入和輸出電壓紋波以及低輻射發(fā)射。此外，在很寬的范圍內同步開(kāi)關(guān)頻率的能力允許將開(kāi)關(guān)噪聲放置在對系統影響最小的地方。圖 8 顯示了最終設計。

LT?3093 是一款非常低噪聲的 LDO 線(xiàn)性穩壓器，其能夠提供高電壓，從而允許 ADP5600 充電泵輸出 （CPOUT） 直接連接到其輸入。其–5 V輸出由SET引腳上的電阻設置，可編程電源良好引腳可在A(yíng)VDD1電源軌符合要求時(shí)通知其他系統。ADP5600的LDO調節低得多的電流VSS_SW軌。雖然沒(méi)有 LT3093 那么低噪聲或高電源抑制比 （PSRR），但它能夠提供一個(gè)穩定的電源軌來(lái)VSS_SW。所有三個(gè)電源軌（電荷泵、AVDD1 和 VSS_SW）的輸出電壓紋波如圖9所示。

圖9.電荷泵輸出電壓紋波（V）在= 12 V， C外= 10 μF（標稱(chēng)值），C飛= 2.2 μF （標稱(chēng)）， f同步= 1 兆赫 （fOSC= 500 kHz），I負荷= 50 mA。

結論

這個(gè)由兩部分組成的系列介紹了一種從正電源產(chǎn)生低噪聲負電源軌的新方法。第1部分介紹了交錯式負相電荷泵操作背后的概念。第2部分通過(guò)采用ADI公司新型ADP5600構建和測試的完整解決方案，將這些想法付諸實(shí)踐。該解決方案使用第 1 部分中推導的數學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化。將傳導和輻射發(fā)射與標準反相電荷泵進(jìn)行比較。在某些情況下，與標準電荷泵逆變器相比，實(shí)現了18倍的改進(jìn)，這對于滿(mǎn)足現代精密和RF系統的低噪聲要求非常重要。

審核編輯：郭婷