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。

先来看一下宽工作温度范围这个问题，电源 IC 在两个方面受到了挑战。首先是电源转换，即使在中高效率时，电源转换也要消耗一定量的功率，将其转化为热量。再加上很宽的环境工作温度范围这一挑战，这类 IC 的最高结温常常能超过 125oC。即使车身中的电子产品不在汽车的引擎罩内，密封塑料封装的电子控制模块内部的环境温度也能达到 95oC。由于这些温度挑战，许多额定工作温度为 85oC 甚至 125oC 的 IC 都不足以在高温下持续工作。因此，在许多这类应用中，要求 IC 能够在温度高达 +150oC 时正常工作。

然而，在汽车环境中还有进一步的挑战 (例如较寒冷的环境温度)，这就要求能够升压至 5V 或者安然度过低压冷车发动 (~3V) 至 5V 的转换，在这种情况下，输入可能低于所希望的输出。这时通常需要既能够降压又能够升压的器件。此外，连接到汽车电池输入的 DC/DC 转换器必须承受由交流发电机电压的偶然偏移或汽车猛然启动引起的宽电压摆幅。因此，这里需要提供输入电压瞬态保护功能的器件。工业市场与汽车市场有类似的要求，在极端温度和宽电源电压范围方面要求尤其苛刻。

总之，汽车和工业系统设计师面临的主要挑战如下：

· 平衡功耗与高温工作

· 抵抗辐射和传导噪声，具有低辐射

· 处理大的电压瞬态摆幅

· 在低压冷车发动情况下调节 5V 或 (3.3V)

· 最大限度地减小解决方案尺寸和占板面积

解决这些设计问题的传统方法是整合高压降压和升压型开关，或真正的 4 开关降压-升压型 DC-DC 转换器。然而这类解决方案可能尺寸很大，成本高昂，同时常常需要额外的措施来避免 EMI 问题。满足上述限制的另一种解决方案运用高效率、高压降压型充电泵或降压-升压型充电泵，这些充电泵具备广泛的保护功能、高温工作能力和高效率。而且，它们仅需要 3 个小型电容器。

简单的高压解决方案

凌力尔特公司已经开发出简单、创新的高压单片降压-升压型和降压型充电泵 IC，专门用于汽车和工业应用。

第一款这类器件是 LTC3245，这是一款通用型 250mA 高压降压-升压型充电泵。它运用开关电容器分数转换方法，以在 2.7V 至 38V 的宽输入电压范围内保持稳压，并产生 3.3V、5V 或 2.5V 至 5V 可调的稳定输出。内部电路自动选择转换率 (2:1、1:1 或 1:2)，以在输入电压和负载状况变化时优化效率。很小的工作电流 (无负载时为 18μA，停机时为 4μA) 和很少的外部组件 (3 个小型陶瓷电容器，无电感器) 使 LTC3245 非常适用于低功率、空间受限的应用，例如汽车 ECU / CAN 收发器电源、工业内务处理电源和高效率低功率 12V 至 5V 转换。参见以下图 2 的典型应用电路。

图 2：LTC3245 典型应用电路

与传统开关稳压器相比，LTC3245 的独特恒定频率架构提供更低的传导和辐射噪声。该器件能够以引脚可选的突发模式 (Burst Mode?) 工作，这使用户能够选择略为增加输出纹波以换取较高效率 / 降低静态电流。该 IC 的其他特点包括很少的外部组件以及用陶瓷电容器可稳定、防止启动时电流过大的软启动电路、以及短路和过热保护。

LTC3245 采用具有底面导热焊盘的扁平 (0.75mm) 3mm x 4mm 12 引线 DFN 封装和具有底面导热焊盘的 12 引线 MSOP 封装。E 级和 I 级版本的工作结温为 -40oC 至 +125oC，而 H 级版本为 -40oC 至 +150oC，MP 级版本为 -55oC 至 +150oC。

表 2 总结了 LTC3245 的功能和优势。

表 2：LTC3245 的功能和优势

LTC3255 与 LDO 一样坚固，但比开关稳压器简单。该器件是一款通用高压降压型开关电容器转换器，提供高达 50mA 的输出电流。在输入电压超过输出电压两倍的应用中，充电泵的效率将近等效线性稳压器的两倍，提供了一种节省空间的无电感器型解决方案，可替代开关 DC/DC 稳压器。LTC3255 产生 2.4V 至 12.5V 的稳定输出，可在 4V 至 48V 的宽输入范围内运作，输入容限为 +60V/-52V。无负载时，突发模式工作将 VIN 静态电流降至仅为 16μA，2:1 的容性充电泵增强了输出电流能力，使其达到输入电流的两倍左右。LTC3255 适用于多种应用，例如工业控制、工厂自动化、传感器和监察控制以及数据采集 (SCADA) 系统、内务处理电源、以及适用于 4mA 至 20mA 工业电流环路的电流提升型稳压器。参见图 3。

图 3：LTC3255 应用电路 — 4mA ~ 20mA 电流环路

LTC3255 或者作为通用降压型充电泵使用，转换率为 2:1 或 1:1，或者作为电流倍增并联稳压器使用。以通常模式工作时，根据 VIN、VOUT 和负载情况选择转换率，这时转换模式之间的切换是自动进行的。以并联模式工作时，该器件被强制进入 2:1 模式，从而能从电流源输入提供稳定的输出电压，可提供将近两倍于输入电流至负载。例如，这种功能使 4mA 电流环路能够以 3.3V 的稳定输出电压连续提供 7.4mA 负载电流。LTC3255 能够承受低至 -52V 的反向输入电源和输出短路而不被损坏。安全功能包括输出电流限制和过压保护，这进一步增强了坚固性。

LTC3255 采用扁平 (0.75mm) 3mm x 3mm 10 引线 DFN 和 10 引线 MSOP 封装，两种封装都有底面金属焊盘，以增强导热性能。E 级和 I 级版本的工作结温为 -40oC 至 +125oC。H 级版本的工作结温为 -40oC 至 +150oC，而高可靠性 MP 级版本规定在 -55oC 至 +150oC 的温度范围内工作。

表 3 总结了 LTC3255 的功能和优势。

表 3：LTC3255 的功能和优势

表 4 总结了凌力尔特最新高压充电泵系列产品。

表 4：凌力尔特下一代高压充电泵系列

结论

充电泵现在已经走向成熟。由于有限的电压范围以及历史上其性能处在 LDO 和开关稳压器之间，所以在某些方面，充电泵几乎被遗忘了。然而，创新设计方法已经提升了充电泵的性能和功能，其中包括降压-升压型架构、广泛的输入瞬态保护以及能够在 4mA 至 20mA 环路应用中倍增电流。视工作条件的不同而不同，充电泵达到了接近开关稳压器的效率。因此，确实没有理由不在高压设计中使用充电泵。