作者：Jon Kraft and Steve Knoth

精密儀器儀表或射頻（RF）電路中的噪聲必須最小化，但由于這些系統的性質，降低噪聲會帶來許多挑戰。例如，這些系統通常必須在寬輸入電壓下工作，同時滿足嚴格的電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）要求。此外，系統擠滿了電子設備，使其空間受限且對熱敏感。集成電路（IC）的復雜性日益增加，導致這些系統所需的電源電壓軌數量增加。生成所有這些電源軌，滿足上述要求，并保持整個系統的低噪聲可能令人生畏。

ADI公司為產生低噪聲電源提供了多種解決方案。這些解決方案中的大多數設計用于產生正電壓軌，用于產生負電壓的專用IC較少。當負電壓需要為低噪聲器件供電時，例如RF放大器、開關和數據轉換器（ADC和DAC），這可能特別有限。

在本系列文章的第1部分中，我們將介紹一種從正電源產生這種低噪聲負電源軌的新方法。它首先要大致了解負電源軌通常是如何產生的以及它們的使用位置。然后，在介紹交錯式反相電荷泵（IICP）拓撲之前，我們將討論標準反相電荷泵。IICP的輸入和輸出電壓紋波的簡短推導強調了其在低噪聲系統方面的獨特優勢。

本系列的第2部分給出了使用ADI公司新型ADP5600實現IICP的實際示例。我們首先通過測量電壓紋波和輻射發射，將該器件與標準反相電荷泵進行比較。然后，我們使用第1部分中的公式來優化IICP性能，并開發為低噪聲RF電路供電的完整解決方案。

傳統的負電壓產生方法

為了產生負電壓，通常采用以下兩種方法之一：使用電感式開關穩壓器或使用電荷泵。電感開關使用電感器或變壓器產生負電壓。這些磁性轉換器拓撲的示例包括：反相降壓、反相降壓-升壓和 ?uk。在解決方案尺寸、成本、效率、噪聲產生和控制環路復雜性方面，每種方法都有其自身的優缺點。1, 2通常，基于磁性元件的轉換器最適合需要更高輸出電流（> 100 mA）的情況。

對于需要小于100 mA輸出電流的應用，電荷泵正負（反相）DC-DC轉換器可以非常小，并且由于不需要電感器或控制環路，因此具有低EMI。它們只需要通過開關在電容器之間移動電荷，將產生的電荷提供給輸出。

由于電荷泵不使用磁性元件（電感器或變壓器），因此它們的EMI通常低于電感開關拓撲。電感器往往比電容器大得多，非屏蔽電感器通過廣播輻射發射來充當天線。相比之下，電荷泵中使用的電容產生的EMI不會比典型的數字輸出多。它們可以很容易地以短走線布線，以減少天線面積和電容耦合，從而降低EMI。

表1比較了基于電感的開關穩壓器和開關電容反相拓撲。

傳統反相電荷泵

傳統反相電荷泵的配置如圖1所示。

圖1.反相電荷泵原理圖。

輸出阻抗，R外，電荷泵定義為電荷泵機制從輸入到輸出的等效電阻。通過測量輸入輸出電壓差并除以負載電流得出：

其中 GAIN = –1 表示反相電荷泵。

或者，等效輸出電阻可以計算為開關頻率、開關電阻和反激電容尺寸的函數，通常簡化為：

哪里

是四個開關電阻的總和。

四個開關中的每一個都以相同的頻率工作，fOSC，并且它們在切換周期 T 的一半內處于打開狀態，其中 T = 1/fOSC.根據開關周期的兩半，操作可以分為兩相，如圖2所示。

圖2.每個操作階段的反相電荷泵。

圖3.反相電荷泵的時序圖。

圖3給出了電荷泵工作各階段的電壓和電流。在階段 1 中，S1 和 S2 關閉，S3 和 S4 打開。這會將跨接電容器 （CFLY） 充電至 +V 電壓在.在第 2 階段，來自 C 的能量飛通過打開 S1 和 S2 并關閉 S3 和 S4 放電到輸出中。兩個不同的工作階段意味著不連續電流流入C飛從 V在，并且不連續電流從 C 流出飛成 C外.這會導致 C 上的電壓紋波在和 C外，可以計算：

求解輸出電壓紋波可得到：

同樣，輸入電壓紋波為：

公式4和公式5說明，對于標準反相電荷泵，電壓紋波是開關頻率和輸入（或輸出）電容的函數。更高的頻率和更高的電容在1：1的關系中減少了這種紋波。然而，增加頻率存在實際障礙：即增加芯片的電流消耗，從而降低效率。

同樣，成本和PCB面積通常會限制反相電荷泵的最大輸入和輸出電容。另請注意，反激電容在電荷泵的電壓紋波中起不到任何作用。

為了減少紋波，可以在電荷泵周圍構建輸入和輸出濾波器，但這又增加了電荷泵的復雜性和輸出電阻。然而，這些問題可以通過對標準反相電荷泵逆變器的新改進來解決：交錯式反相電荷泵（IICP）。

交錯式反相電荷泵 （IICP）

相位交錯廣泛用于電感開關穩壓器（即多相操作），以減少輸出電壓紋波。3理論上，以正好50%占空比交錯的兩相降壓轉換器產生0 mV的輸出電壓紋波。當然，穩壓降壓轉換器的占空比隨輸入和輸出電壓而變化，因此只有當V時才能實現50%的情況在= 2 V外.電荷泵通常正好以50%的占空比工作，因此考慮交錯式電荷泵逆變器很有趣。

當芯片上需要非常低的電流負軌時，有時會在IC中使用交錯電荷泵，但目前還沒有商用專用的IICP負相DC-DC轉換器。IICP的結構需要兩個電荷泵和兩個跨接電容器。第二個電荷泵與第一個電荷泵異相 180° 操作開關。讓我們看一下IICP的設置和輸出紋波，并重點介紹如何優化其性能。設置如圖4所示，時序圖如圖5所示。

圖4.交錯式反相電荷泵。

圖5.交錯式反相電荷泵的時序圖。

在振蕩器的每一相中，其中一個跨接電容器連接到V在另一個連接到V外.乍一看，人們可能會認為增加第二個電容器只會將電壓紋波降低一半。但是，這是一種不準確的過度簡化。事實上，輸入和輸出電壓紋波可能遠小于標準逆變器，因為電容器總是從輸入充電并向輸出放電。從IICP輸出電壓紋波的推導中可以更好地理解這一點。

IICP 輸出電壓紋波推導

由于IICP始終有一個跨接電容向輸出提供電流，因此可以簡化其輸出級，如圖6所示。

圖6.簡化的 IICP 輸出級。

此外，IICP的輸出電阻（如公式1中所定義）可由下式近似計算：

哪里

是開關電阻的總和。

將電流相加為 I負荷，我們到達：

其中 dt 等于開關周期的四分之一（T/4 或 1/（4 × fOSC)).輸出電壓紋波，?V外，是 dV外和 V中聯利（t） 是 C 兩端的電壓差飛.我們可以合理地假設輸出電壓紋波相對于跨接電容器電壓紋波很小。然后計算?V外，我們需要了解V中聯利從圖 6 中，請注意 I飛等于通過開關上兩個的電流。這些開關中的每一個都有 R 的電阻上.因此：

求解V的微分方程中聯利（t），必須知道至少一個初始條件。這種情況可以通過檢查圖 5 中的時序圖來發現。請注意，從 t = 0 到 t = T/4，兩個 C飛電容器向 I 提供電流負荷并收取 C外.然后，從 t = T/4 到 t = T/2，C飛和 C外有助于輸出負載電流。因此，在 t = T/4（類似地 t = 3/4 T）處，對 I 的貢獻負荷從 C外正好是 0。因此，此時此刻，我負荷等于 I飛和 V 的電壓中聯利由以下人員給出：

使用等式8和等式9，我們可以微分求解V中聯利（t）：

查找 V 中的增量中聯利對于等式 7，取兩個點（例如，t = 0 和 t = T/4），并為每個點求解等式 10。結果簡化為：

結合等式11和等式7，求解?V外給：

公式12的影響最初可能并不明顯。首先通過考慮理想開關（R上= 0 Ω).這樣做會使第二項幾乎為零，只留下第一項。第一項與標準反相電荷泵紋波非常相似（公式4），但IICP的雙飛接電容使分母增加了2×。兩倍的電荷泵產生一半的紋波。這個結果與直覺是一致的。

然而，等式12的重要部分在于后半部分。注意第二項的減號，表示該部分降低了輸出電壓紋波。關注開關電阻（R上）和跨接電容器（CFLY）。在標準反相電荷泵中，這些術語在降低輸出電壓紋波方面沒有任何作用。但在IICP中，開關電阻的作用是平滑充電和放電電流。雙飛接電容器允許這種充電/放電動作不間斷地發生。

輸出電壓紋波確認

我們可以使用電路仿真來檢查公式12的精度以及用于推導公式12的假設的有效性。使用LTspice可以輕松實現這一點。該仿真的原理圖如圖7所示，該文件可供下載。?

對各種條件進行了比較，結果摘要見表2。

表2顯示，公式12與仿真非常吻合，驗證了簡化方程時所做的假設。現在，我們可以使用該等式在 IICP 實現中進行權衡。

比較IICP和標準電荷泵之間的電壓紋波也很有啟發性。在本系列的第 2 部分中，我們將展示這些差異的臺架測試數據。但就目前而言，圖8中的LTspice模型可以說明輸出電壓紋波的差異。

圖7.LTspice中的交錯式反相電荷泵。

圖8.IICP與常規電荷泵的輸出電壓紋波：V在= 12 V， I負荷= 50 mA， C飛= 2.2 μF， C外= 4.7 μF， R上= 3 Ω.為了使比較與常規電荷泵公平，其R上減半，CFLY翻倍。

IICP 拓撲優化

推導出IICP方程并證明其有效性后，有兩個主要結論：對于IICP，開關電阻（R上） 降低輸入和輸出電壓紋波，這是預期的結果。相反，在標準反相電荷泵中，開關電阻是完全不需要的，因為它增加了R外電荷泵，并且不會降低紋波電壓。事實上，我們可以通過放置一個與反激電容串聯的電阻來進一步增加開關電阻。這為我們提供了一個旋鈕來減少輸入和輸出電壓紋波，但代價是電荷泵電阻增加。我們將在本系列的第 2 部分中討論 IICP 的用例時進一步探討此旋鈕。

其次，跨接電容器的值及其與C的比率外，可以進行優化以進一步優化紋波。例如，在小型封裝中可能很難找到較大的輸出電容值，并且在較高電壓下電容會顯著降額。但是通過減少C外，然后增加 C飛，可以獲得相同的輸出電壓紋波，以獲得更可達到的電容值。例如，代替 C飛= 1 μF 和 C外= 10 μF，如果它們都設置為2.2 μF，則獲得幾乎相同的輸出電壓紋波。與10 μF/25 V電容相比，2.2 μF/25 V電容采用小型封裝更容易獲得。第 2 部分中的示例應用程序對此進行了探討。

結論

交錯式反相電荷泵拓撲的兩部分系列的第1部分到此結束。本部分介紹IICP拓撲背后的一般概念，包括輸入/輸出電壓紋波計算。通過推導控制輸入/輸出紋波的方程，可以深入了解如何優化IICP解決方案的性能。

在本系列的第2部分中，我們將介紹ADP5600，這是一款適用于IICP拓撲的集成解決方案。我們測量其性能，并與標準反相電荷泵進行比較。最后，我們將所有這些結合在一起，為低噪聲相控陣波束成形解決方案提供動力。

審核編輯：郭婷