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交錯(cuò)式反相電荷泵——第二部分：實(shí)現(xiàn)和結(jié)果

2021-06-29 13:49:58 ADI 公司 Jon Kraft，高級(jí)現(xiàn)場應(yīng)用工程師 Alex Ilustrisimo，應(yīng)用工程師

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簡介

本系列文章的第一部分介紹了一種從正電源產(chǎn)生低噪聲負(fù)電源軌的獨(dú)特方法，并說明了控制其運(yùn)行的方程式推導(dǎo)過程。第二部分將借助ADI公司新產(chǎn)品ADP5600深入探討這種交錯(cuò)式反相電荷泵(IICP)的實(shí)際例子。我們將ADP5600的電壓紋波和電磁輻射干擾與標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵進(jìn)行比較，以揭示交錯(cuò)如何改善低噪聲性能。我們還將其應(yīng)用于低噪聲相控陣波束成型電路，并使用第一部分中的公式來優(yōu)化該解決方案的性能。

世界首款商用交錯(cuò)式反相電荷泵

如第一部分所述，集成電路中使用IICP來生成較小的負(fù)偏置軌。ADP5600獨(dú)特地將低噪聲IICP與其他低噪聲特性和高級(jí)故障保護(hù)功能結(jié)合在一起。

ADP5600是一款交錯(cuò)式電荷泵逆變器，集成了低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器。與傳統(tǒng)的基于電感或電容的解決方案相比，其獨(dú)特的電荷泵級(jí)具有更低的輸出電壓紋波和反射輸入電流噪聲。交錯(cuò)作為一種低噪聲概念很巧妙，但交錯(cuò)通道并不能解決所有噪聲問題。為了實(shí)現(xiàn)真正的低噪聲，需要一種專門設(shè)計(jì)的IC來實(shí)現(xiàn)IICP的低噪聲優(yōu)勢，同時(shí)保持解決方案的小尺寸和高效率。

固定和可編程開關(guān)頻率

許多反相電荷泵的工作頻率為幾百kHz。這種相對(duì)較低的頻率限值要求相對(duì)較大的電容，并限制了頻率雜散可以放置的位置。ADP5600可以在100 kHz至1.1 MHz的開關(guān)頻率下工作，因而能在現(xiàn)代系統(tǒng)中高效使用。此外，該頻率始終是固定的，不隨輸出負(fù)載而變化。開關(guān)頻率變化（展頻調(diào)制）通常用于提高電荷泵效率，但在噪聲敏感的系統(tǒng)中可能會(huì)產(chǎn)生問題。

外部頻率同步

許多低噪聲系統(tǒng)需要將高幅度開關(guān)噪聲置于規(guī)定的頻帶中，以使所產(chǎn)生的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響最小。考慮到這一點(diǎn)，在噪聲敏感系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換器的工作頻率是同步的，但在電荷泵逆變器中，同步很少見。相比之下，ADP5600可以同步到高達(dá)2.2 MHz的外部時(shí)鐘。

低壓差穩(wěn)壓器

ADP5600的輸入電壓范圍很寬，其電荷泵輸出電壓可能過高，無法為低壓電路供電。因此，ADP5600內(nèi)置了一個(gè)LDO后置穩(wěn)壓器。它還有一個(gè)以正電壓為基準(zhǔn)的電源正常信號(hào)引腳，以便在LDO輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)輕松進(jìn)行電源時(shí)序控制。

故障保護(hù)

最后，ADP5600具有一套全面的故障保護(hù)特性，適合于穩(wěn)健的應(yīng)用。保護(hù)特性包括過載保護(hù)、短路飛跨電容保護(hù)、欠壓鎖定(UVLO)、精密使能和熱關(guān)斷。另一個(gè)新穎的特性是飛跨電容限流，它也能降低飛跨電容充電時(shí)的峰值電流尖峰。

ADP5600測試數(shù)據(jù)

第一部分從理論上證明了與非交錯(cuò)解決方案相比，IICP架構(gòu)可顯著改善紋波。為簡潔起見，第一部分中說明的推導(dǎo)是理想化的，忽略了寄生效應(yīng)、布局依賴性（IC和PCB）、時(shí)序失配（即不完美的50%振蕩器）和RDS失配。這些因素導(dǎo)致與計(jì)算和測量的電壓紋波有些偏差。一如既往，最好將ADP5600投入使用，觀測其性能，并使用推導(dǎo)的方程式指導(dǎo)電路優(yōu)化以獲得最佳性能。

此處使用標(biāo)準(zhǔn)ADP5600評(píng)估板，但插入了R_FLY，并修改了C_FLY和C_OUT的值。此外，我們使用ADP5600的SYNC特性來改變開關(guān)頻率。圖1所示框圖表明，各電荷泵以該SYNC頻率的一半進(jìn)行開關(guān)。也就是說，f_OSC = ½ f_SYNC。

圖3和圖4分別顯示了在相同條件下運(yùn)行時(shí)，交錯(cuò)式和非交錯(cuò)式反相電荷泵的輸出電壓紋波。

圖1.ADP5600交錯(cuò)式反相電荷泵簡化框圖。

圖2.ADP5600交錯(cuò)式反相電荷泵測試設(shè)置。

圖3.ADP5600 IICP輸出電壓，V_IN = 6 V，C_OUT = C_FLY = 2.2 μF，f_OSC = 250 kHz，I_LOAD = 50 mA

圖4.標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵輸出電壓，V_IN = 6 V，C_OUT = C_FLY = 2.2 μF，f_OSC = 250 kHz，I_LOAD = 50 mA

在這些條件下，ADP5600的輸入和輸出電壓紋波幾乎比傳統(tǒng)反相電荷泵低14倍。我們還能確定此電壓紋波是否與本系列第一部分中推導(dǎo)出的方程式一致。回顧第一部分，IICP的輸出（或輸入）電壓紋波由下式給出：

使用式1，并將實(shí)際值代入R_OUT和R_ON，便可比較計(jì)算出的和測量到的輸出電壓紋波。表1給出了多種測試配置下的結(jié)果，并指出了相對(duì)于非交錯(cuò)式電荷泵方案的改善幅度。

表1.不同使用案例下的V_OUT紋波；V_IN = 12 V，I_LOAD = 50 mA，R_ON = 2.35 Ω*

* 使用的是C_OUT和C_FLY的實(shí)際電容值（電容在電壓下會(huì)降額），而不是標(biāo)稱值。

表1顯示了交錯(cuò)電壓紋波與式1的預(yù)測非常吻合。另外還顯示了其相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的非交錯(cuò)式反相電荷泵的改善幅度。此表中的某些設(shè)置還包括與C_FLY串聯(lián)的附加外部電阻R_FLY。結(jié)果表明，R_FLY進(jìn)一步降低了電壓紋波，但要以電荷泵輸出電阻為代價(jià)。式1和本系列文章第一部分中的分析也對(duì)此進(jìn)行了預(yù)測。

除輸出電壓紋波外，IICP的電磁輻射騷擾與標(biāo)準(zhǔn)電荷泵相比也有所改善。為了衡量這一點(diǎn)，將一根25 mm天線放在評(píng)估板上（圖5），并測試了多種配置。圖6顯示了這樣一種配置與標(biāo)準(zhǔn)的非交錯(cuò)式電荷泵逆變器的比較。IICP拓?fù)淇蓪⒌谝缓偷谌_關(guān)諧波的噪聲降低12 dB至15 dB。

圖5.采用ADP5600評(píng)估板的電磁輻射干擾測試設(shè)置

圖6.電磁輻射干擾，V_IN = 12 V，I_LOAD = 50 mA，C_FLY = C_OUT = 2.2 μF，f_SYNC = 500 kHz。綠色 = 標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)色 = IICP。

IICP應(yīng)用示例

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、RF放大器和RF開關(guān)需要低噪聲電源。這些系統(tǒng)中的電源設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)是：

? 功耗和高溫運(yùn)行
? EMI抗擾度和低EMI貢獻(xiàn)
? 輸入電壓范圍大
? 解決方案尺寸和面積應(yīng)最小化

為了說明IICP的完整設(shè)計(jì)和優(yōu)勢，我們考慮一個(gè)為RF放大器、RF開關(guān)和相控陣波束成型器供電的應(yīng)用。該應(yīng)用包含在ADTR1107數(shù)據(jù)手冊(cè)中，圖7復(fù)制自其中。此示例需要幾個(gè)大功率正電壓軌——在這里是感性降壓轉(zhuǎn)換器的工作。另外還需要兩個(gè)負(fù)電壓軌：AVDD1和VSS_SW。ADAR1000使用AVDD1為VGG_PA和LNA_BIAS生成低噪聲偏置軌。AVDD1為–5 V、50 mA，VSS_SW為ADTR1107中RF開關(guān)的–3.3 V、<100 μA電源軌。每個(gè)ADAR1000使用四個(gè)ADTR1107，因此–3.3 V電源軌最大汲取1 mA電流。通常，這些系統(tǒng)的電源軌為12 V。

ADP5600是從12 V電壓產(chǎn)生–5 V、50 mA和–3.3 V、1 mA電源軌的理想選擇，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了低輸入和輸出電壓紋波以及低電磁輻射干擾。此外，它能同步寬范圍的開關(guān)頻率，因而允許將開關(guān)噪聲放在對(duì)系統(tǒng)影響最小的位置。圖8顯示了最終設(shè)計(jì)。

圖7.ADAR1000加上四個(gè)ADTR1107電源軌

圖8.ADP5600和LT3093用于為AVDD1和VSS_SW供電

LT3093是一款超低噪聲LDO線性穩(wěn)壓器，支持高電壓，允許將ADP5600電荷泵輸出(CPOUT)直接連接到其輸入。其–5 V輸出由SET引腳上的電阻設(shè)置，當(dāng)AVDD1電源軌符合要求時(shí)，可編程的電源良好引腳可以通知其他系統(tǒng)。ADP5600的LDO調(diào)節(jié)電流低得多的VSS_SW軌。盡管沒有LT3093那么低的噪聲或那么高的電源抑制比(PSRR)，但它能夠?yàn)閂SS_SW提供穩(wěn)定的電源軌。所有三個(gè)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_IN = 12 V，C_OUT = 10 μF（標(biāo)稱值），C_FLY = 2.2 μF（標(biāo)稱值），f_SYNC = 1 MHz (f_OSC = 500 kHz)，I_LOAD = 50 mA

結(jié)論

本系列文章由兩部分組成，提出了一種從正電源產(chǎn)生低噪聲負(fù)電源軌的新方法。第一部分介紹了交錯(cuò)式反相電荷泵操作背后的概念。第二部分將這些想法付諸實(shí)踐，利用ADI公司的新產(chǎn)品ADP5600構(gòu)建并測試了一個(gè)完整解決方案，并使用第一部分中推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型對(duì)該解決方案進(jìn)行了優(yōu)化。另外還將其傳導(dǎo)發(fā)射和電磁輻射干擾與標(biāo)準(zhǔn)反相電荷泵進(jìn)行了比較。在某些情況下，與標(biāo)準(zhǔn)電荷泵逆變器相比，其改善幅度達(dá)到18倍，這對(duì)于滿足現(xiàn)代精密和RF系統(tǒng)的低噪聲要求非常重要。

作者簡介

Jon Kraft是高級(jí)現(xiàn)場應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)在科羅拉多州，已在ADI公司工作了13年。他主要致力于軟件定義無線電和航空航天相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用。他擁有羅斯豪曼理工學(xué)院電子工程學(xué)士學(xué)位和亞利桑那州立大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。他擁有九項(xiàng)專利（六項(xiàng)與ADI相關(guān)），一項(xiàng)正在申請(qǐng)中。

Alexander Ilustrisimo畢業(yè)于菲律賓中部大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。他于2014年加入ADI公司，擔(dān)任電源管理產(chǎn)品應(yīng)用工程師已6年有余，重點(diǎn)關(guān)注LDO穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。