一款通用高压降压型开关电容器转换器的设计与实现

背景信息

充电泵 (或称开关电容器电压转换器) 填补了线性稳压器和基于电感器的开关稳压器之间的性能空白，为不喜欢电感器的工程师提供了另一种设计选择。与 LDO 相比，充电泵需要一个额外的电容器 (“浮动”电容器) 才能工作，但一般来说成本仅略有增加，同时充电泵具有更高的输出噪声电平，而且输出电流能力通常较弱。不过，充电泵也有一些线性稳压器所没有的优势，例如效率更高、由于较高效率工作而产生更好的热量管理、能够升压和降压或者产生负电压。当与常规开关稳压器相比较时，充电泵的输出电流能力较弱，效率较低。但是充电泵更简单，易于设计，而且不需要电感器。最近在工艺技术领域取得的进步使得能够相对于以前各代产品扩大了充电泵的输入电压范围。表 1 比较了上述各种拓扑的关键性能参数。

表 1：LDO、充电泵和开关稳压器的性能比较

充电泵 IC 用电容器作为储能元件来产生输出电压。例如，考虑图 1 所示的基本“倍压器”充电泵电路。该电路采用单个浮动电容器 (图中的 CFLY) 和 4 个由两相时钟驱动的内部开关 (内有“x”的圆圈)，产生比输入电压大一倍的输出电压。在时钟的第一个相位 (图中的 θ1)，一对开关给浮动电容器充电，使其达到输入电压 (VIN)。在时钟的第二个相位 (图中的 θ2)，第三个开关将该电容器的负端连接至 VIN，在电容器的正端有效地产生 2 * VIN。第四个开关将浮动电容器的正端连接到输出电容器。在无负载情况下，电荷将在每个周期中传送到输出电容器，直至输出充电至 2 * VIN 为止，从而产生等于两倍输入电压。当存在输出负载时，输出电容器 (图中的 COUT) 在第一个相位上提供负载电流，而在第二个相位上，浮动电容器提供负载电流，并给输出电容器充电。为了传送电荷，输出将稳定在一个略低于 2 * VIN 的电压上。输出电容器在两个时钟相位上的充电和放电产生了输出纹波，该纹波是输出电容器值、时钟频率和输出负载电流的函数，

图 1：基本的充电泵倍压器电路

其他所有充电泵电路拓扑都是以这一基本电路为基础的，只是增加 / 改变开关和电容器以及时钟相位数量而已。视控制器和电路拓扑的不同而不同，充电泵可以产生任意大小的输出电压，例如 2 倍、3 倍于输入电压的输出电压，等于输入电压一半的输出电压、负输出电压，与输入电压成分数比例的输出电压，如等于输入电压 3/2、4/3、2/3 的输出电压。在接近理想充电比时，充电泵的效率可以非常高。在上述的倍压器例子中，理想情况下，输入电源电流等于输出负载电流的两倍，输入功率等于输出功率。现实情况是，由于静态工作电流和其他损耗，效率略低于理想情况。充电泵用途广泛，可用于多种应用和细分市场。充电泵由于采用了创新性设计方法而更加坚固，为应用于严酷的工业和汽车环境创造了机会。

汽车和工业设计面临的挑战

为汽车应用设计电子系统极富挑战性，原因有很多，包括宽工作温度范围、严格的 EMI (电磁干扰) 和瞬态要求以及汽车 OEM (原始设备制造商) 所要求的高质量。汽车仪表板内非常拥挤，塞满了电子产品。雪上加霜的是，还有从蓝牙到基于手机的网络连接等各种无线系统。因此，当务之急是，给这种散热受限的环境增加任何组件，都要注意不能产生过多的热量或太大的 EMI。对于辐射型和传导型电磁干扰、抗辐射和传导性或辐射和传导敏感性以及静电放电 (ESD)，都有严格的电磁兼容性 (EMC) 要求。能否满足这些要求影响到 IC 设计的多种性能。充电泵 (无磁性元件，无电感器) 的低 EMI 和低噪声输出使其成为理想选择。充电泵一般比电感性开关的 EMI 低，因为浮动电容器的连接线可以最大限度地缩短，以减轻容性耦合和天线效应。电感器往往比电容器大，其作用如同天线，尤其是未屏蔽时。在现实情况下，与典型数字输出相比，浮动电容器输出根本不会产生更高的 EMI。实际上，它们产生的 EMI 反而更低，因为电路板走线被尽量缩短了。