一款通用高壓降壓型開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與實現(xiàn)

背景信息

充電泵 (或稱開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器) 填補了線性穩(wěn)壓器和基于電感器的開關(guān)穩(wěn)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(shè)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(wěn)壓器所沒有的優(yōu)勢，例如效率更高、由于較高效率工作而產(chǎn)生更好的熱量管理、能夠升壓和降壓或者產(chǎn)生負電壓。當與常規(guī)開關(guān)穩(wěn)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(shè)計，而且不需要電感器。最近在工藝技術(shù)領(lǐng)域取得的進步使得能夠相對于以前各代產(chǎn)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(guān)鍵性能參數(shù)。

表 1：LDO、充電泵和開關(guān)穩(wěn)壓器的性能比較

充電泵 IC 用電容器作為儲能元件來產(chǎn)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(qū)動的內(nèi)部開關(guān) (內(nèi)有“x”的圓圈)，產(chǎn)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(guān)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(guān)將該電容器的負端連接至 VIN，在電容器的正端有效地產(chǎn)生 2 * VIN。第四個開關(guān)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(chǎn)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(wěn)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(chǎn)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(shù)，

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(chǔ)的，只是增加 / 改變開關(guān)和電容器以及時鐘相位數(shù)量而已。視控制器和電路拓撲的不同而不同，充電泵可以產(chǎn)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(shù)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。現(xiàn)實情況是，由于靜態(tài)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(chuàng)新性設(shè)計方法而更加堅固，為應用于嚴酷的工業(yè)和汽車環(huán)境創(chuàng)造了機會。

汽車和工業(yè)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

為汽車應用設(shè)計電子系統(tǒng)極富挑戰(zhàn)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(tài)要求以及汽車 OEM (原始設(shè)備制造商) 所要求的高質(zhì)量。汽車儀表板內(nèi)非常擁擠，塞滿了電子產(chǎn)品。雪上加霜的是，還有從藍牙到基于手機的網(wǎng)絡連接等各種無線系統(tǒng)。因此，當務之急是，給這種散熱受限的環(huán)境增加任何組件，都要注意不能產(chǎn)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(shè)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(guān)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(xiàn)實情況下，與典型數(shù)字輸出相比，浮動電容器輸出根本不會產(chǎn)生更高的 EMI。實際上，它們產(chǎn)生的 EMI 反而更低，因為電路板走線被盡量縮短了。

先來看一下寬工作溫度范圍這個問題，電源 IC 在兩個方面受到了挑戰(zhàn)。首先是電源轉(zhuǎn)換，即使在中高效率時，電源轉(zhuǎn)換也要消耗一定量的功率，將其轉(zhuǎn)化為熱量。再加上很寬的環(huán)境工作溫度范圍這一挑戰(zhàn)，這類 IC 的最高結(jié)溫常常能超過 125oC。即使車身中的電子產(chǎn)品不在汽車的引擎罩內(nèi)，密封塑料封裝的電子控制模塊內(nèi)部的環(huán)境溫度也能達到 95oC。由于這些溫度挑戰(zhàn)，許多額定工作溫度為 85oC 甚至 125oC 的 IC 都不足以在高溫下持續(xù)工作。因此，在許多這類應用中，要求 IC 能夠在溫度高達 +150oC 時正常工作。

然而，在汽車環(huán)境中還有進一步的挑戰(zhàn) (例如較寒冷的環(huán)境溫度)，這就要求能夠升壓至 5V 或者安然度過低壓冷車發(fā)動 (~3V) 至 5V 的轉(zhuǎn)換，在這種情況下，輸入可能低于所希望的輸出。這時通常需要既能夠降壓又能夠升壓的器件。此外，連接到汽車電池輸入的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須承受由交流發(fā)電機電壓的偶然偏移或汽車猛然啟動引起的寬電壓擺幅。因此，這里需要提供輸入電壓瞬態(tài)保護功能的器件。工業(yè)市場與汽車市場有類似的要求，在極端溫度和寬電源電壓范圍方面要求尤其苛刻。

總之，汽車和工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計師面臨的主要挑戰(zhàn)如下：

· 平衡功耗與高溫工作

· 抵抗輻射和傳導噪聲，具有低輻射

· 處理大的電壓瞬態(tài)擺幅

· 在低壓冷車發(fā)動情況下調(diào)節(jié) 5V 或 (3.3V)

· 最大限度地減小解決方案尺寸和占板面積

解決這些設(shè)計問題的傳統(tǒng)方法是整合高壓降壓和升壓型開關(guān)，或真正的 4 開關(guān)降壓-升壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。然而這類解決方案可能尺寸很大，成本高昂，同時常常需要額外的措施來避免 EMI 問題。滿足上述限制的另一種解決方案運用高效率、高壓降壓型充電泵或降壓-升壓型充電泵，這些充電泵具備廣泛的保護功能、高溫工作能力和高效率。而且，它們僅需要 3 個小型電容器。

簡單的高壓解決方案

凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)出簡單、創(chuàng)新的高壓單片降壓-升壓型和降壓型充電泵 IC，專門用于汽車和工業(yè)應用。

第一款這類器件是 LTC3245，這是一款通用型 250mA 高壓降壓-升壓型充電泵。它運用開關(guān)電容器分數(shù)轉(zhuǎn)換方法，以在 2.7V 至 38V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)壓，并產(chǎn)生 3.3V、5V 或 2.5V 至 5V 可調(diào)的穩(wěn)定輸出。內(nèi)部電路自動選擇轉(zhuǎn)換率 (2:1、1:1 或 1:2)，以在輸入電壓和負載狀況變化時優(yōu)化效率。很小的工作電流 (無負載時為 18μA，停機時為 4μA) 和很少的外部組件 (3 個小型陶瓷電容器，無電感器) 使 LTC3245 非常適用于低功率、空間受限的應用，例如汽車 ECU / CAN 收發(fā)器電源、工業(yè)內(nèi)務處理電源和高效率低功率 12V 至 5V 轉(zhuǎn)換。參見以下圖 2 的典型應用電路。

圖 2：LTC3245 典型應用電路

與傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器相比，LTC3245 的獨特恒定頻率架構(gòu)提供更低的傳導和輻射噪聲。該器件能夠以引腳可選的突發(fā)模式 (Burst Mode?) 工作，這使用戶能夠選擇略為增加輸出紋波以換取較高效率 / 降低靜態(tài)電流。該 IC 的其他特點包括很少的外部組件以及用陶瓷電容器可穩(wěn)定、防止啟動時電流過大的軟啟動電路、以及短路和過熱保護。

LTC3245 采用具有底面導熱焊盤的扁平 (0.75mm) 3mm x 4mm 12 引線 DFN 封裝和具有底面導熱焊盤的 12 引線 MSOP 封裝。E 級和 I 級版本的工作結(jié)溫為 -40oC 至 +125oC，而 H 級版本為 -40oC 至 +150oC，MP 級版本為 -55oC 至 +150oC。

表 2 總結(jié)了 LTC3245 的功能和優(yōu)勢。

表 2：LTC3245 的功能和優(yōu)勢

LTC3255 與 LDO 一樣堅固，但比開關(guān)穩(wěn)壓器簡單。該器件是一款通用高壓降壓型開關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器，提供高達 50mA 的輸出電流。在輸入電壓超過輸出電壓兩倍的應用中，充電泵的效率將近等效線性穩(wěn)壓器的兩倍，提供了一種節(jié)省空間的無電感器型解決方案，可替代開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器。LTC3255 產(chǎn)生 2.4V 至 12.5V 的穩(wěn)定輸出，可在 4V 至 48V 的寬輸入范圍內(nèi)運作，輸入容限為 +60V/-52V。無負載時，突發(fā)模式工作將 VIN 靜態(tài)電流降至僅為 16μA，2:1 的容性充電泵增強了輸出電流能力，使其達到輸入電流的兩倍左右。LTC3255 適用于多種應用，例如工業(yè)控制、工廠自動化、傳感器和監(jiān)察控制以及數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)、內(nèi)務處理電源、以及適用于 4mA 至 20mA 工業(yè)電流環(huán)路的電流提升型穩(wěn)壓器。參見圖 3。

圖 3：LTC3255 應用電路 — 4mA ~ 20mA 電流環(huán)路

LTC3255 或者作為通用降壓型充電泵使用，轉(zhuǎn)換率為 2:1 或 1:1，或者作為電流倍增并聯(lián)穩(wěn)壓器使用。以通常模式工作時，根據(jù) VIN、VOUT 和負載情況選擇轉(zhuǎn)換率，這時轉(zhuǎn)換模式之間的切換是自動進行的。以并聯(lián)模式工作時，該器件被強制進入 2:1 模式，從而能從電流源輸入提供穩(wěn)定的輸出電壓，可提供將近兩倍于輸入電流至負載。例如，這種功能使 4mA 電流環(huán)路能夠以 3.3V 的穩(wěn)定輸出電壓連續(xù)提供 7.4mA 負載電流。LTC3255 能夠承受低至 -52V 的反向輸入電源和輸出短路而不被損壞。安全功能包括輸出電流限制和過壓保護，這進一步增強了堅固性。

LTC3255 采用扁平 (0.75mm) 3mm x 3mm 10 引線 DFN 和 10 引線 MSOP 封裝，兩種封裝都有底面金屬焊盤，以增強導熱性能。E 級和 I 級版本的工作結(jié)溫為 -40oC 至 +125oC。H 級版本的工作結(jié)溫為 -40oC 至 +150oC，而高可靠性 MP 級版本規(guī)定在 -55oC 至 +150oC 的溫度范圍內(nèi)工作。

表 3 總結(jié)了 LTC3255 的功能和優(yōu)勢。

表 3：LTC3255 的功能和優(yōu)勢

表 4 總結(jié)了凌力爾特最新高壓充電泵系列產(chǎn)品。

表 4：凌力爾特下一代高壓充電泵系列

結(jié)論

充電泵現(xiàn)在已經(jīng)走向成熟。由于有限的電壓范圍以及歷史上其性能處在 LDO 和開關(guān)穩(wěn)壓器之間，所以在某些方面，充電泵幾乎被遺忘了。然而，創(chuàng)新設(shè)計方法已經(jīng)提升了充電泵的性能和功能，其中包括降壓-升壓型架構(gòu)、廣泛的輸入瞬態(tài)保護以及能夠在 4mA 至 20mA 環(huán)路應用中倍增電流。視工作條件的不同而不同，充電泵達到了接近開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。因此，確實沒有理由不在高壓設(shè)計中使用充電泵。