交錯式反相電荷泵—第二部分：實現和結果

作者：ADI資深現場應用工程師Jon Kraft 及電源管理產品應用工程師Alexander Ilustrisimo


簡介

本系列文章的第一部分介紹了一種從正電源產生低雜訊負電壓軌的獨特方法，並說明了控制其運行的方程式推導過程。第二部分將藉由ADI新產品 ADP5600深入探討這種交錯式反相電荷泵(IICP)的實際例子。我們將ADP5600的電壓漣波及電磁輻射干擾與標準反相電荷泵進行比較，以揭示交錯如何改善低雜訊性能。我們還將其應用於低雜訊相位陣列波束成型電路，並使用第一部分中的公式來優化該解決方案的性能。

全球首款商用交錯式反相電荷泵

如第一部分所述，積體電路中使用IICP來產生較小的負偏置軌。ADP5600獨特地將低雜訊IICP與其他低雜訊特性和高階故障保護功能結合在一起。

ADP5600是一款交錯式電荷泵逆變器，整合了低壓差(LDO)線性穩壓器。與傳統的基於電感或電容的解決方案相比，其獨特的電荷泵級具有更低的輸出電壓漣波和反射輸入電流雜訊。交錯作為一種低雜訊概念很巧妙，但交錯通道並不能解決所有雜訊問題。為了實現真正的低雜訊，需要一種專門設計的IC來實現IICP的低雜訊優勢，同時保持解決方案的小尺寸和高效率。

固定和可編程切換頻率

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值要求相對較大的電容，並限制了頻率雜散可以放置的位置。ADP5600可以在100 kHz至1.1 MHz的切換頻率下工作，因而能在現代系統中高效使用。此外，該頻率始終是固定的，不隨輸出負載而變化。切換頻率變化（展頻調變）通常用於提高電荷泵效率，但在雜訊敏感的系統中可能會產生問題。

外部頻率同步

許多低雜訊系統需要將高幅度切換雜訊置於規定的頻段中，以使所產生的雜訊對系統的影響最小。考慮到這一點，在雜訊敏感系統中，轉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。相較之下，ADP5600可以同步到高達2.2 MHz的外部時脈。

低壓差穩壓器

ADP5600的輸入電壓範圍很寬，其電荷泵輸出電壓可能過高，無法為低壓電路供電。因此，ADP5600內建了一個LDO後置穩壓器。它還有一個以正電壓為基準的電源正常訊號接腳，以便在LDO輸出處於穩壓狀態時輕鬆進行電源時序控制。

故障保護

最後，ADP5600具有一套全面的故障保護特性，適合於穩健的應用。保護特性包括過載保護、短路飛跨電容保護、欠壓鎖定(UVLO)、精密啟動和熱關斷。另一個新穎的特性是飛跨電容限流，它也能降低飛跨電容充電時的峰值電流尖峰。

ADP5600測試資料

第一部分從理論上證明了與非交錯解決方案相比，IICP架構可明顯改善漣波。為簡潔起見，第一部分中說明的推導是理想化的，忽略了寄生效應、佈局依賴性（IC和PCB）、時序失配（即不完美的50%振盪器）和RDS失配。這些因素導致與計算和測量的電壓漣波有些偏差。一如既往，最好將ADP5600投入使用，觀測其性能，並使用推導的方程式指導電路優化以獲得最佳性能。

此處使用標準ADP5600評估板，但插入了RFLY，並修改了CFLY和COUT的值。此外，我們使用ADP5600的SYNC特性來改變切換頻率。圖1所示框圖表明，各電荷泵以該SYNC頻率的一半進行切換。也就是說，fOSC = ½ fSYNC。

圖3和圖4分別顯示了在相同條件下運行時，交錯式和非交錯式反相電荷泵的輸出電壓漣波。

Figure 1. ADP5600 interleaved inverting charge pump simplified block diagram.
圖1.ADP5600交錯式反相電荷泵簡化框圖。
Figure 2. ADP5600 interleaved inverting charge pump test setup.
圖2.ADP5600交錯式反相電荷泵測試設定。
Figure 3. ADP5600 IICP output voltage with VIN = 6 V, COUT = CFLY = 2.2 μF, fOSC = 250 kHz, ILOAD = 50 mA.
圖3.ADP5600 IICP輸出電壓， VIN = 6 V， COUT = CFLY = 2.2 μF， fOSC = 250 kHz， ILOAD = 50 mA。
Figure 4. Standard inverting charge pump output voltage with VIN = 6 V, COUT = CFLY = 2.2 μF, fOSC = 250 kHz, ILOAD = 50 mA.
圖4.標準反相電荷泵輸出電，VIN = 6 V， COUT = CFLY = 2.2 μF， fOSC = 250 kHz， ILOAD = 50 mA。

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

Equation 1

使用式1，並將實際值代入ROUT和RON，便可比較計算出的和測量到的輸出電壓漣波。表1提供了多種測試配置下的結果，並指出相對於非交錯式電荷泵方案的改善幅度。

表1.不同使用案例下的VOUT漣波；VIN = 12 V, ILOAD = 50 mA, RON = 2.35 Ω*

fOSC (kHz)

 COUT (μF) CFLY (μF) RFLY (Ω) 實測 VOUT (V) 實測 ROUT (Ω) VOUT 漣波 (mV) 相對於非交錯式的改善
實測 計算
250 1.6 1.6 0 11.48 10 5.3 6.0 12×
250 1.8 1.8 25 8.86 63 3.4 3.2 18×
250 4.6 1.6 0 11.48 10 1.9 2.4 12×
500 2.8 1.6 0 11.45 11 2.5 2.9 7.5×
500 1.8 1.8 25 8.74 65 3.1 2.7 10×
1000 1.6 1.6 0 11.40 12 4.3 4.2 3.7×
1000 1.8 1.8 25 8.438 71 2.8 2.8 5.6×
* 使用的是COUT和CFLY的實際電容值（電容在電壓下會降額），而不是標稱值。

表1顯示了交錯電壓漣波與式1的預測非常吻合。另外還顯示了其相對於標準的非交錯式反相電荷泵的改善幅度。此表中的某些設定還包括與CFLY串聯的附加外部電阻RFLY。結果表示，RFLY進一步降低了電壓漣波，但要以電荷泵輸出電阻為代價。式1和本系列文章第一部分中的分析也對此進行了預測。

除輸出電壓漣波外，IICP的電磁輻射騷擾與標準電荷泵相比也有所改善。為了衡量這一點，將一根25 mm天線放在評估板上（圖5），並測試了多種配置。圖6顯示了這樣一種配置與標準的非交錯式電荷泵逆變器的比較。IICP拓撲可將第一和第三切換諧波的雜訊降低12 dB至15 dB。

Figure 5. Radiated emissions test setup with the ADP5600 evaluation board.
圖5.採用ADP5600評估板的電磁輻射干擾測試設定。
Figure 6. Radiated emissions, VIN = 12 V, ILOAD = 50 mA, CFLY = COUT = 2.2 μF, fSYNC = 500 kHz. Green = standard, blue = IICP.
圖6.電磁輻射干擾， VIN = 12 V， ILOAD = 50 mA， CFLY = COUT = 2.2 μF，fSYNC = 500 kHz。綠色 = 標準，藍色 = IICP。

IICP應用示例

資料轉換器、RF放大器和RF切換需要低雜訊電源。這些系統中的電源設計面臨的主要挑戰是：

  • 功耗和高溫運行
  • EMI抗擾度和低EMI貢獻
  • 輸入電壓範圍大
  • 解決方案尺寸和面積應最小化

為了說明IICP的完整設計和優勢，我們考慮一個為RF放大器、RF切換和相位陣列波束成型器供電的應用。該應用包含在 ADTR1107產品手冊 中，圖7複製自其中。此示例需要幾個大功率正電壓軌——在這裡是感性降壓轉換器的工作。另外還需要兩個負電壓軌：AVDD1和VSS_SW。

Figure 7. ADAR1000 plus four ADTR1107 power rails.
圖7.ADAR1000加上四個ADTR1107電源軌。
Figure 8. ADP5600 and LT3093 are used to power AVDD1 and VSS_SW.
圖8.ADP5600和LT3093用於為AVDD1和VSS_SW供電。

ADAR1000 使用AVDD1為VGG_PA和LNA_BIAS產生成低雜訊偏置軌。AVDD1為–5 V、50 mA，VSS_SW為ADTR1107中RF切換的–3.3 V、<100 μA電源軌。每個ADAR1000使用四個ADTR1107，因此–3.3 V電源軌最大汲取1 mA電流。通常，這些系統的電源軌為12 V。

ADP5600是從12 V電壓產生–5 V、50 mA和–3.3 V、1 mA電源軌的理想選擇，因為它實現了低輸入和輸出電壓漣波以及低電磁輻射干擾。此外，它能同步寬廣範圍的切換頻率，因而允許將切換雜訊放在對系統影響最小的位置。圖8顯示了最終設計。

LT3093 是一款超低雜訊LDO線性穩壓器，該元件支援高電壓，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接腳上的電阻設置，當AVDD1電源軌符合要求時，可編程的電源良好接腳可以通知其他系統。ADP5600的LDO調節電流低得多的VSS_SW軌。儘管沒有LT3093那麼低的雜訊或那麼高的電源抑制比(PSRR)，但它能夠為VSS_SW提供穩定的電源軌。所有三個軌（電荷泵、AVDD1和VSS_SW）的輸出電壓漣波如圖9所示。

Figure 9. Charge pump output voltage ripple for VIN = 12 V, COUT = 10 μF (nominal), CFLY = 2.2 μF (nominal), fSYNC = 1 MHz (fOSC = 500 kHz), ILOAD = 50 mA.
圖9.電荷泵輸出電壓漣波，VIN = 12 V，COUT = 10 μF（標準值），CFLY = 2.2 μF（標準值），fSYNC = 1 MHz (fOSC = 500 kHz)，ILOAD = 50 mA。

結論

本系列文章由兩部分組成，提出了一種從正電源產生低雜訊負電源軌的新方法。第一部分介紹了交錯式反相電荷泵操作背後的概念。第二部分將這些想法付諸實踐，利用ADI的新產品ADP5600建構並測試了一個完整解決方案，並使用第一部分中推導出的數學模型對該解決方案進行了優化。另外還將其傳導發射和電磁輻射干擾與標準反相電荷泵進行了比較。在某些情況下，與標準電荷泵逆變器相比，其改善幅度可高達18倍，這對於滿足現代精密和RF系統的低雜訊要求非常重要。

致謝

感謝Sherlyn Dela Cruz、Roger Peppiette和Steve Knoth的協助。