一款通用高壓降壓型開(kāi)關(guān)電容器轉換器的設計與實(shí)現

背景信息

充電泵 (或稱(chēng)開(kāi)關(guān)電容器電壓轉換器) 填補了線(xiàn)性穩壓器和基于電感器的開(kāi)關(guān)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(gè)額外的電容器 (“浮動(dòng)”電容器) 才能工作，但一般來(lái)說(shuō)成本僅略有增加，同時(shí)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(guò)，充電泵也有一些線(xiàn)性穩壓器所沒(méi)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。當與常規開(kāi)關(guān)穩壓器相比較時(shí)，充電泵的輸出電流能力較弱，效率較低。但是充電泵更簡(jiǎn)單，易于設計，而且不需要電感器。最近在工藝技術(shù)領(lǐng)域取得的進(jìn)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。

表 1：LDO、充電泵和開(kāi)關(guān)穩壓器的性能比較

充電泵 IC 用電容器作為儲能元件來(lái)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(gè)浮動(dòng)電容器 (圖中的 CFLY) 和 4 個(gè)由兩相時(shí)鐘驅動(dòng)的內部開(kāi)關(guān) (內有“x”的圓圈)，產(chǎn)生比輸入電壓大一倍的輸出電壓。在時(shí)鐘的第一個(gè)相位 (圖中的 θ1)，一對開(kāi)關(guān)給浮動(dòng)電容器充電，使其達到輸入電壓 (VIN)。在時(shí)鐘的第二個(gè)相位 (圖中的 θ2)，第三個(gè)開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)將浮動(dòng)電容器的正端連接到輸出電容器。在無(wú)負載情況下，電荷將在每個(gè)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(shí)，輸出電容器 (圖中的 COUT) 在第一個(gè)相位上提供負載電流，而在第二個(gè)相位上，浮動(dòng)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(gè)略低于 2 * VIN 的電壓上。輸出電容器在兩個(gè)時(shí)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(shí)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(kāi)關(guān)和電容器以及時(shí)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(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(shí)，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(shí)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(chǎng)。充電泵由于采用了創(chuàng )新性設計方法而更加堅固，為應用于嚴酷的工業(yè)和汽車(chē)環(huán)境創(chuàng )造了機會(huì )。

汽車(chē)和工業(yè)設計面臨的挑戰

為汽車(chē)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(tài)要求以及汽車(chē) OEM (原始設備制造商) 所要求的高質(zhì)量。汽車(chē)儀表板內非常擁擠，塞滿(mǎn)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(luò )連接等各種無(wú)線(xiàn)系統。因此，當務(wù)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(guò)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(mǎn)足這些要求影響到 IC 設計的多種性能。充電泵 (無(wú)磁性元件，無(wú)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(kāi)關(guān)的 EMI 低，因為浮動(dòng)電容器的連接線(xiàn)可以最大限度地縮短，以減輕容性耦合和天線(xiàn)效應。電感器往往比電容器大，其作用如同天線(xiàn)，尤其是未屏蔽時(shí)。在現實(shí)情況下，與典型數字輸出相比，浮動(dòng)電容器輸出根本不會(huì )產(chǎn)生更高的 EMI。實(shí)際上，它們產(chǎn)生的 EMI 反而更低，因為電路板走線(xiàn)被盡量縮短了。

先來(lái)看一下寬工作溫度范圍這個(gè)問(wèn)題，電源 IC 在兩個(gè)方面受到了挑戰。首先是電源轉換，即使在中高效率時(shí)，電源轉換也要消耗一定量的功率，將其轉化為熱量。再加上很寬的環(huán)境工作溫度范圍這一挑戰，這類(lèi) IC 的最高結溫常常能超過(guò) 125oC。即使車(chē)身中的電子產(chǎn)品不在汽車(chē)的引擎罩內，密封塑料封裝的電子控制模塊內部的環(huán)境溫度也能達到 95oC。由于這些溫度挑戰，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工作。因此，在許多這類(lèi)應用中，要求 IC 能夠在溫度高達 +150oC 時(shí)正常工作。

然而，在汽車(chē)環(huán)境中還有進(jìn)一步的挑戰 (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(guò)低壓冷車(chē)發(fā)動(dòng) (~3V) 至 5V 的轉換，在這種情況下，輸入可能低于所希望的輸出。這時(shí)通常需要既能夠降壓又能夠升壓的器件。此外，連接到汽車(chē)電池輸入的 DC/DC 轉換器必須承受由交流發(fā)電機電壓的偶然偏移或汽車(chē)猛然啟動(dòng)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(chǎng)與汽車(chē)市場(chǎng)有類(lèi)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(chē)和工業(yè)系統設計師面臨的主要挑戰如下：

· 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(chē)發(fā)動(dòng)情況下調節 5V 或 (3.3V)

· 最大限度地減小解決方案尺寸和占板面積

解決這些設計問(wèn)題的傳統方法是整合高壓降壓和升壓型開(kāi)關(guān)，或真正的 4 開(kāi)關(guān)降壓-升壓型 DC-DC 轉換器。然而這類(lèi)解決方案可能尺寸很大，成本高昂，同時(shí)常常需要額外的措施來(lái)避免 EMI 問(wèn)題。滿(mǎn)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(gè)小型電容器。

簡(jiǎn)單的高壓解決方案

凌力爾特公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)單、創(chuàng )新的高壓?jiǎn)纹祲?升壓型和降壓型充電泵 IC，專(zhuān)門(mén)用于汽車(chē)和工業(yè)應用。

第一款這類(lèi)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(kāi)關(guān)電容器分數轉換方法，以在 2.7V 至 38V 的寬輸入電壓范圍內保持穩壓，并產(chǎn)生 3.3V、5V 或 2.5V 至 5V 可調的穩定輸出。內部電路自動(dòng)選擇轉換率 (2:1、1:1 或 1:2)，以在輸入電壓和負載狀況變化時(shí)優(yōu)化效率。很小的工作電流 (無(wú)負載時(shí)為 18μA，停機時(shí)為 4μA) 和很少的外部組件 (3 個(gè)小型陶瓷電容器，無(wú)電感器) 使 LTC3245 非常適用于低功率、空間受限的應用，例如汽車(chē) ECU / CAN 收發(fā)器電源、工業(yè)內務(wù)處理電源和高效率低功率 12V 至 5V 轉換。參見(jiàn)以下圖 2 的典型應用電路。

圖 2：LTC3245 典型應用電路

與傳統開(kāi)關(guān)穩壓器相比，LTC3245 的獨特恒定頻率架構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(hù)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(diǎn)包括很少的外部組件以及用陶瓷電容器可穩定、防止啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)大的軟啟動(dòng)電路、以及短路和過(guò)熱保護。

LTC3245 采用具有底面導熱焊盤(pán)的扁平 (0.75mm) 3mm x 4mm 12 引線(xiàn) DFN 封裝和具有底面導熱焊盤(pán)的 12 引線(xiàn) MSOP 封裝。E 級和 I 級版本的工作結溫為 -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(kāi)關(guān)穩壓器簡(jiǎn)單。該器件是一款通用高壓降壓型開(kāi)關(guān)電容器轉換器，提供高達 50mA 的輸出電流。在輸入電壓超過(guò)輸出電壓兩倍的應用中，充電泵的效率將近等效線(xiàn)性穩壓器的兩倍，提供了一種節省空間的無(wú)電感器型解決方案，可替代開(kāi)關(guān) DC/DC 穩壓器。LTC3255 產(chǎn)生 2.4V 至 12.5V 的穩定輸出，可在 4V 至 48V 的寬輸入范圍內運作，輸入容限為 +60V/-52V。無(wú)負載時(shí)，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(chǎng)自動(dòng)化、傳感器和監察控制以及數據采集 (SCADA) 系統、內務(wù)處理電源、以及適用于 4mA 至 20mA 工業(yè)電流環(huán)路的電流提升型穩壓器。參見(jiàn)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，轉換率為 2:1 或 1:1，或者作為電流倍增并聯(lián)穩壓器使用。以通常模式工作時(shí)，根據 VIN、VOUT 和負載情況選擇轉換率，這時(shí)轉換模式之間的切換是自動(dòng)進(jìn)行的。以并聯(lián)模式工作時(shí)，該器件被強制進(jìn)入 2:1 模式，從而能從電流源輸入提供穩定的輸出電壓，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 的穩定輸出電壓連續提供 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(guò)壓保護，這進(jìn)一步增強了堅固性。

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

表 3 總結了 LTC3255 的功能和優(yōu)勢。

表 3：LTC3255 的功能和優(yōu)勢

表 4 總結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

結論

充電泵現在已經(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(kāi)關(guān)穩壓器之間，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、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(kāi)關(guān)穩壓器的效率。因此，確實(shí)沒(méi)有理由不在高壓設計中使用充電泵。