无电感器双极电源电路的设计方案

2024-03-12

本文讨论电荷泵 DC/DC 转换器并介绍无电感器双极电源电路的设计。

设计低压电子设备的第一步是决定使用哪种类型的电源。基本上有两种选择:线性稳压器(LDO)或 DC/DC 转换器。如今,我们经常选择 DC/DC 转换器,因为开关模式电压调节通常比线性调节效率更高。(如果您想知道为什么我添加“一般而言”,请查看本文中标题为“效率问题”的部分。)

如果您像我一样,在决定需要 DC/DC 转换器后,您会立即开始对笨重的电路、复杂的组件选择、嘈杂的输出电压等产生怨恨。但请务必记住,典型的基于电感器的开关稳压器并不是唯一的选择。有一种完全独立的拓扑可以提供显着的优势,尽管它并不适合每种设计。

电感输出,电容输入

无电感器 DC/DC 转换器被称为“电荷泵”稳压器,因为它们使用开关定期将电荷“泵”到电容器上。我想你可以将其与手动充气缓慢漏气的轮胎进行比较。如果您打气速度足够快,轮胎就不会漏气,即使轮胎正在漏气,即使您没有持续注入新空气。泵入的空气就像输入电流,泄漏的空气就像负载电流,我猜轮胎压力有点像电压。通过充分的泵送(记住泵送=定期注入空气),您可以无限期地保持高轮胎压力并提供负载电流。

因此,首先要了解的是,电荷泵稳压器使用开关定期将电流从输入电源注入电容器。当输入开关打开时,第二组开关将电容器连接到稳压器的输出侧,以便它可以提供负载电流。另一个要记住的关键点是电容器的电压不会瞬时变化。因此,如果将其充电至 5 V,然后使用开关更改其连接,电容器两端的电压 (V CAP ) 仍将是 5 V。这就是电容器可以轻松用作倍压器的原因:

无电感器双极电源电路的设计方案 (https://ic.work/) 电源管理 第1张

连接到输入时,V CAP为 5 V。连接到输出时,V CAP(初始)为 5 V。但请注意,输出侧的下部连接连接到 V IN,而不是接地。这意味着 V OUT必须比V IN高5 V ;换句话说,V OUT = 2V IN。

您可以使用类似的技巧来反转输入电压:

无电感器双极电源电路的设计方案 (https://ic.work/) 电源管理 第2张

这里,下部输出连接是V OUT并且上部输出连接接地。当输入开关打开且输出开关闭合时,V CAP = 5V,因此输出必须(最初)低于地电压 5V;换句话说,V OUT = –V IN。

可以实现其他输入到输出关系,但这两个关系非常简单,此外,如果您从电荷泵稳压器开始,然后使用线性稳压器微调输出,它们可能就是您所需要的一切(这种方法还具有减少噪音的额外好处)。

优点和缺点

如果您有阅读我的文章的习惯,您可能会知道我对基于电感器的开关稳压器抱有不可避免的偏见,因此我的第一反应是宣称电荷泵稳压器普遍优越。然而,这完美地证明了当我们的结论基于偏见、恐惧或任性而不是合理的推理时,人类会变得多么荒谬。电荷泵方法在某些应用中很有用,但在许多(或大多数?)情况下,基于电感器的开关将更可取。

优点

一般来说,电荷泵稳压器比同等的基于电感器的稳压器更小、更简单且更便宜。这个好处列表可能看起来不是很长,但请记住,尺寸、上市时间和成本是当今工程领域的重要因素,有时甚至是至关重要的因素。

缺点

电荷泵稳压器无法提供与基于电感器的稳压器一样多的输出电流。我不确定如何准确地量化这一点,但对于需要超过 50-100 mA 的负载来说,基于电感器的开关似乎是首选。此外,在某些应用中(尤其是那些需要高输出电流的应用),电荷泵稳压器的效率将低于基于电感器的等效电路的效率(尽管比 LDO 的效率要好)。

噪音

这两种类型的开关稳压器都比线性稳压器噪声更大。但其中一个比另一个更好吗?我的猜测是这个问题没有明确的答案,仅仅是因为影响噪音的其他因素太多了。然而,我有一种感觉,基于电感器的稳压器往往更糟,至少在辐射噪声方面是这样,因为电感器更像是天线(除非它是屏蔽的,但屏蔽电感器更昂贵)。如果您有任何有关电荷泵开关与基于电感器的开关的噪声性能的信息,请在评论中告知我们。

结论

我想介绍这个主题,因为我最近设计了一个 5 V 至 ±5 V 电荷泵电源电路,可以将其作为子系统合并到您的下一个模拟或混合信号项目中。我使用 Linear Tech/Analog Devices 的 LTC3265:

无电感器双极电源电路的设计方案 (https://ic.work/) 电源管理 第3张

该图取自LTC3265数据表。

 

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