開關(guān)電容器充電泵

充電泵已經(jīng)存在了幾十年，它們提供 DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換，使用一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)對兩個或更多的電容器進(jìn)行充電和放電?；镜某潆姳瞄_關(guān)網(wǎng)絡(luò)在電容器的充電和放電狀態(tài)之間切換。如圖 1 所示，“飛跨電容器”C1 負(fù)責(zé)往返運送電荷，“儲能電容器”C2 用于保存電荷并對輸出電壓進(jìn)行濾波。附加的“飛跨電容器”和開關(guān)陣列可實現(xiàn)多種增益。

圖 1：電壓逆變器的簡化充電泵方框圖

當(dāng)開關(guān) S1 和 S3 導(dǎo)通 (即閉合)，而開關(guān) S2 和 S4 切斷 (即開路) 時，輸入電源為 C1 充電。在下一個周期中，S1 和 S3 斷開，S2 和 S4 導(dǎo)通，電荷轉(zhuǎn)移至 C2，從而產(chǎn)生 VOUT = – (V+)。

然而直到近期，充電泵一直存在著輸入和輸出電壓范圍有限的問題，因而限制了其在輸入常常高達(dá) 40V 或更高的工業(yè)和汽車應(yīng)用中的使用。

在該領(lǐng)域中新近推出的一款產(chǎn)品是凌力爾特的 LTC3256。它是高集成度、高電壓低噪聲雙輸出電源，采用單一正輸入電壓，無需電感器并以高效率提供 5V 和 3.3V 降壓電源。該器件在很寬的 5.5V 至 38V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，包括可獨立地使能的雙輸出：5V 100mA 電源，以及 250mA 3.3V 低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器，總共提供 350mA 可用輸出電流。與雙 LDO 解決方案相比，這些穩(wěn)壓器結(jié)合使用后的功耗會低得多。例如，在 12V 輸入和兩個輸出均為最大負(fù)載情況下，LTC3256 的功耗降低超過 2W (相比于雙 LDO 方案)，從而顯著減少了熱損耗和輸入電流。這款器件的完整原理圖請見圖 2。

圖 2：LTC3256 原理圖具有一個 5V/100mA 輸出和一個 3.3V/250mA 輸出

LTC3256 專為符合 ISO26262 診斷覆蓋要求的系統(tǒng)而設(shè)計，納入了豐富的安全和系統(tǒng)監(jiān)視功能。該器件非常適合要求采用高電壓輸入提供低噪聲、低電源軌的各種應(yīng)用，例如：汽車 ECU / CAN 收發(fā)器電源、工業(yè) / 電信內(nèi)務(wù)處理電源、以及通用型低功率轉(zhuǎn)換。

LTC3256 通過以 2:1 模式運行充電泵，在盡可能寬的工作范圍內(nèi)最大限度提高效率，并在需要時自動切換到 1:1 模式，以與 VIN 和負(fù)載情況保持一致。受控輸入電流和軟切換最大限度降低了傳導(dǎo)和輻射 EMI。該器件在兩個輸出均處于調(diào)節(jié)狀態(tài) (無負(fù)載) 時，靜態(tài)電流僅為很低的 20μA，在停機模式中則為 1μA。集成的看門狗定時器、獨立的電源良好輸出以及復(fù)位輸入確保了可靠的系統(tǒng)運行并實現(xiàn)故障監(jiān)視。1.1V 緩沖基準(zhǔn)輸出允許針對安全運行至關(guān)重要的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)自測試診斷。LTC3256 還提供額外的安全功能，包括過流故障保護(hù)、過熱保護(hù)和 38V 輸入瞬態(tài)容限。

下面圖 3 中的曲線圖突出顯示了 LTC3256 的優(yōu)良功耗特性。在 12VIN 時，具有 3.3V/250mA 和 5V/100mA 輸出的 LTC3256 消耗約 750mW 功率，而雙 LDO 方案在相同條件下的功耗則幾乎達(dá)到 3W。也就是說 LTC3256 的功耗少了 2.25W，對于設(shè)計的熱方面而言這是一個巨大的好處。

圖 3：LTC3256 與雙 LDO 的功耗特性比較

結(jié)論

眾所周知，在初始設(shè)計過程中需要謹(jǐn)慎地關(guān)注 EMI 考慮因素，以確保它們將在系統(tǒng)設(shè)計完成之時順利通過 EMI 測試。迄今為止，除了非常低功率系統(tǒng)之外，還沒有萬無一失方法來保證利用正確的電源 IC 選擇就能輕松地如愿以償。不過，隨著最近 LTC3256 高電壓充電泵等低 EMI 穩(wěn)壓器的推出，現(xiàn)在有了一種可用的替代選擇。它可提供高得多的效率和較低的功耗 (當(dāng)與線性穩(wěn)壓器相比)，而且不必應(yīng)對采用開關(guān)穩(wěn)壓器時存在的補償、布局、磁學(xué)和 EMI 問題。