作者： TI 工程師Wanda Wang

光通信應用經(jīng)常需要從+3.3V的輸入電源升壓得到一組正負電壓，比如+/-20V，常見的做法是用兩顆芯片分別去產(chǎn)生+20V和-20V輸出，這種方案體積會比較大，對面積敏感的應用無法滿足要求。本文在TI升壓芯片TPS61046的基礎(chǔ)上，引入負壓Charge pump電路，實現(xiàn)單芯片同時輸出+/-20V，整個方案體積非常小，并就關(guān)鍵器件選型進行了分析，最后給出實測結(jié)果。

1. 引 言

光模塊的外部供電電壓一般是+3.3V，而光器件的驅(qū)動經(jīng)常需要非常高的可調(diào)電壓，但驅(qū)動電流非常小（mA級別），因此采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器加運算放大器來實現(xiàn)調(diào)壓是可行的。本文將通過講解TI的boost芯片TPS61046，結(jié)合charge pump方式來實現(xiàn)+/-20V的輸出，以此作為運放的供電。

2. TPS61046簡介

TPS61046是一款高度集成的boost轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成30V的功率管和輸入輸出隔離開關(guān)，最高可以輸出+28V。芯片體積只有0.8*1.2mm，工作開關(guān)頻率達到1MHz，因此輸出端可以使用非常小的電感電容，整體方案面積小，正好是適合光模塊的應用。

Figure 1． TPS61046基本應用電路

3. 光器件驅(qū)動需求

光器件的可調(diào)驅(qū)動負載電流要求一般比較小，通常采用下圖DAC加運放的結(jié)構(gòu)，需要解決的問題是如何給運放提供小體積的正負高壓電源。通過charge pump的方式來增加一路負壓輸出，可以節(jié)省整體方案的面積。

Figure 2． DAC和運放調(diào)壓電路

4. 負壓Charge Pump電路

如下圖3所示，通過加入Charge pump部分電路，就可以實現(xiàn)一路正的boost升壓輸出和一路未經(jīng)過調(diào)節(jié)的負壓輸出。當SW 斷開時，SW點的電壓為Vsw = +Vout+Vd，飛行電容會被充電到Vsw-Vd1；當SW導通時，SW點電壓變?yōu)?，而電容C兩側(cè)電壓不能突變，V1= -Vsw+Vd1，那么儲能電容C2電壓就會充到：V1+Vd2 = -Vout-Vd+Vd1+Vd2

假設(shè)Vd=Vd1=Vd2，并且不考慮在二極管，電阻和電容上的損耗，那么可以得到儲能電容C2上的電壓為-Vout+Vd。其中D2只有在SW 閉合時導通，所以在SW 斷開時就需要通過輸出電容C2來給外部負載提供電流。

Figure 3． 負壓Charge pump電路

4.1 電感的選擇

在這類型的升壓電路中，電感的選擇一般要考慮三個參數(shù)：電感值，飽和電流和DCR。電感的平均輸入電流 可以通過公式1來計算，電感值可由公式2得到。

公式1

公式2

其中：

：電感紋波電流

：轉(zhuǎn)換效率

從公式2可以看到，電感值越大，電感紋波電流越小，這樣可以降低磁滯損耗和EMI干擾。TPS61046 datasheet 中建議 取值在 的40%以下，但在實際應用中可以做適當?shù)恼{(diào)整。因為在低輸出電流的應用中，這樣取值會導致所需電感比較大，不符合小體積應用的要求。因此，這個建議可以作為電感選擇的一個起始參考點，然后根據(jù)實際情況去做相應的調(diào)整。

4.2 輸入輸出電容的選擇

輸出電壓紋波同輸出電容容值大小以及ESR相關(guān)，在這類型的小電流應用中，通常選擇陶瓷電容，在保證電容的最大耐壓值滿足要求后，就需要根據(jù)紋波的要求，計算出最小輸出電容值。

公式3

其中占空比 ?公式4

對于輸入電容，TPS61046 datasheet中有明確的指導，大于1uF的陶瓷電容可以滿足絕大部分的應用。

4.3二極管的選擇

為了提高效率，通常選用前向壓降小的肖特基二極管，允許的平均電流和峰值電流要大于平均輸出電流和電感的峰值電流，同時反向擊穿電壓必須高于最大的輸出電壓值。

4.4 Charge pump回路上RC的選擇

在最大輸出電流時，一般允許飛行電容兩側(cè)的電壓紋波在100mV到500mV之間，以保證charge pump回路有足夠的動態(tài)響應能力。因此，仍然采用公式4進行計算，典型值一般選擇在0.1uF到1uF之間。在飛行電容前面串入電阻是為了限制電容上的電流尖峰。但是這個電阻值一般不能選的太小，比如小于1Ω，它起不到電流限制的作用；同時又不能太大，比如大于100Ω，帶來的損耗太高，影響電路的輸出和效率。通常，10~20Ω是一個比較好的選擇。下圖是我們實測通過電容的電流波形。

Figure 4． 電流波形R=1Ω Figure 5． 電流R=100Ω

5. 實際應用測試結(jié)果

下文將以實際的例子來說明電路的設(shè)計，并將給出測試結(jié)果。

5.1 設(shè)計需求

5.2 器件選擇

因為輸出有兩路，參數(shù)估算時可以合計為一路，按+3.3V升壓到20V，電流為40mA，考慮到charge pump效率，整個電路的效率估算為70%。下面將根據(jù)上述的需求來逐一說明各個參數(shù)的確定。

根據(jù)公式1，可以計算得到通過電感的平均電流：

首先電感紋波電流按平均電流的40%來計，由公式2可以得到電感值：

考慮到光模塊對體積有非常高的要求，以及電感值的通用性，這里選擇10uH。這也正好滿足TPS61046 datasheet中對電感值選擇的要求。

反過來，可以計算出電感的紋波電流：

那么通過電感的峰值電流

考慮設(shè)計體積和裕量，實際應用中選擇的是Sumida的CDRH2D18，??。

對于輸入電容，由于TPS61046本身沒有要求，我們選擇2.2uF+0.01uF陶瓷電容并聯(lián)。

要計算最小的輸出電容，首先計算占空比：

由于正負輸出兩路需要單獨加儲能電容，公式4中的 按20mA計算，那么每一路

考慮到電容降額和動態(tài)響應問題，并結(jié)合TPS61046對輸出電容范圍的要求，這里選擇4.7uF和10nF 的陶瓷電容并聯(lián)。

對于飛行電容，假設(shè)允許的ripple在200mV，根據(jù)上述方法計算出該電容最小值為84nF，考慮降額，選用220nF陶瓷電容，串入電阻選擇10Ω。根據(jù)電流電壓要求，二極管選用MBR0540T1G。

5.3 測試結(jié)果

根據(jù)上述的計算，最終電路設(shè)計如下：

Figure 6． 實測電路

圖7是上電輸出波形。

Figure 7． 上電輸出波形

圖8是phase和gain裕量的測試結(jié)果，可以看到phase裕量為65°。需要注意的是Charge pump的負壓輸出實際上是開環(huán)結(jié)構(gòu)，波特圖的測試只對正輸出有意義。

Figure 8． 波特圖

圖9是+/-20V同時穩(wěn)定輸出20mA時的開關(guān)波形和電感電流波形。

Figure 9． 電感電流

圖10是空載輸出紋波測試結(jié)果，圖11是加10mA負載輸出紋波測試結(jié)果

Figure 10． 空載紋波 Figure 11． 帶10mA負載紋波

在部分應用中，需要考慮方案的動態(tài)特性。圖12，13，14和15是在不同場景下的動態(tài)測試結(jié)果。

Figure 12． 50%~75%；2.5A/us；20V輸出 Figure 13． 50%~75%；0.1A/us；20V輸出

Figure 14． 50%~75%；2.5A/us；-20V輸出 Figure 15． 50%~75%；0.1A/us；-20V輸出

在測試中我們發(fā)現(xiàn)，如果僅在負壓輸出端加載，測得的紋波和動態(tài)性能會比較差，這是因為負壓輸出端是開環(huán)，而電路是根據(jù)正壓輸出端反饋來做調(diào)整。因此，實測中我們都會在正壓輸出端加載，這也符合運放作為負載時的負載特性。

從上述的測試結(jié)果看，該設(shè)計滿足我們的要求。

6. 總結(jié)

通過以上分析和測試，可以看到TPS61046通過加一路charge pump的方式，能很好的實現(xiàn)從+3.3V同時得到+/-20V的輸出。方案實現(xiàn)簡單，體積小，非常適合光模塊的應用。

審核編輯：何安