广告

交错式反相电荷泵之二:如何改善低噪声性能?

时间:2021-06-21 作者:Jon Kraft 阅读:
本文将借助ADP5600深入探讨这种交错式反相电荷泵(IICP)的实际例子,将ADP5600的电压纹波和电磁辐射干扰与标准反相电荷泵进行比较,以揭示交错如何改善低噪声性能。我们还将其应用于低噪声相控阵波束成型电路,并使用第一部分中的公式来优化该解决方案的性能。
广告

简介

本系列文章的第一部分介绍了一种从正电源产生低噪声负电源轨的独特方法,并说明了控制其运行的方程式推导过程。第二部分将借助ADI公司新产品ADP5600深入探讨这种交错式反相电荷泵(IICP)的实际例子。我们将ADP5600的电压纹波和电磁辐射干扰与标准反相电荷泵进行比较,以揭示交错如何改善低噪声性能。我们还将其应用于低噪声相控阵波束成型电路,并使用第一部分中的公式来优化该解决方案的性能。

世界首款商用交错式反相电荷泵

如第一部分所述,集成电路中使用IICP来生成较小的负偏置轨。ADP5600独特地将低噪声IICP与其他低噪声特性和高级故障保护功能结合在一起。

ADP5600是一款交错式电荷泵逆变器,集成了低压差(LDO)线性稳压器。与传统的基于电感或电容的解决方案相比,其独特的电荷泵级具有更低的输出电压纹波和反射输入电流噪声。交错作为一种低噪声概念很巧妙,但交错通道并不能解决所有噪声问题。为了实现真正的低噪声,需要一种专门设计的IC来实现IICP的低噪声优势,同时保持解决方案的小尺寸和高效率。

固定和可编程开关频率

许多反相电荷泵的工作频率为几百kHz。这种相对较低的频率限值要求相对较大的电容,并限制了频率杂散可以放置的位置。ADP5600可以在100 kHz至1.1 MHz的开关频率下工作,因而能在现代系统中高效使用。此外,该频率始终是固定的,不随输出负载而变化。开关频率变化(展频调制)通常用于提高电荷泵效率,但在噪声敏感的系统中可能会产生问题。

外部频率同步

许多低噪声系统需要将高幅度开关噪声置于规定的频带中,以使所产生的噪声对系统的影响最小。考虑到这一点,在噪声敏感系统中,转换器的工作频率是同步的,但在电荷泵逆变器中,同步很少见。相比之下,ADP5600可以同步到高达2.2 MHz的外部时钟。

低压差稳压器

ADP5600的输入电压范围很宽,其电荷泵输出电压可能过高,无法为低压电路供电。因此,ADP5600内置了一个LDO后置稳压器。它还有一个以正电压为基准的电源正常信号引脚,以便在LDO输出处于稳压状态时轻松进行电源时序控制。

故障保护

最后,ADP5600具有一套全面的故障保护特性,适合于稳健的应用。保护特性包括过载保护、短路飞跨电容保护、欠压锁定(UVLO)、精密使能和热关断。另一个新颖的特性是飞跨电容限流,它也能降低飞跨电容充电时的峰值电流尖峰。

ADP5600测试数据

第一部分从理论上证明了与非交错解决方案相比,IICP架构可显著改善纹波。为简洁起见,第一部分中说明的推导是理想化的,忽略了寄生效应、布局依赖性(IC和PCB)、时序失配(即不完美的50%振荡器)和RDS失配。这些因素导致与计算和测量的电压纹波有些偏差。一如既往,最好将ADP5600投入使用,观测其性能,并使用推导的方程式指导电路优化以获得最佳性能。

此处使用标准ADP5600评估板,但插入了RFLY,并修改了CFLY和COUT的值。此外,我们使用ADP5600的SYNC特性来改变开关频率。图1所示框图表明,各电荷泵以该SYNC频率的一半进行开关。也就是说,fOSC = ½ fSYNC

图3和图4分别显示了在相同条件下运行时,交错式和非交错式反相电荷泵的输出电压纹波。

1.ADP5600交错式反相电荷泵简化框图。

Figure 2. ADP5600 interleaved inverting charge pump test setup.2.ADP5600交错式反相电荷泵测试设置。3.ADP5600 IICP输出电压,VIN = 6 VCOUT = CFLY = 2.2 μFfOSC = 250 kHzILOAD = 50 mA

4.标准反相电荷泵输出电压VIN = 6 VCOUT = CFLY = 2.2 μFfOSC = 250 kHzILOAD = 50 mA

在这些条件下,ADP5600的输入和输出电压纹波几乎比传统反相电荷泵低14倍。我们还能确定此电压纹波是否与本系列第一部分中推导出的方程式一致。回顾第一部分,IICP的输出(或输入)电压纹波由下式给出:

 

Equation 1
使用式1,并将实际值代入ROUT和RON,便可比较计算出的和测量到的输出电压纹波。表1给出了多种测试配置下的结果,并指出了相对于非交错式电荷泵方案的改善幅度。

表1.不同使用案例下的VOUT纹波;VIN = 12 V, ILOAD = 50 mA, RON = 2.35 Ω*

fOSC (kHz)

COUT (μF)

CFLY (μF)

RFLY (Ω)

实测VOUT (V)

实测ROUT (Ω)

VOUT纹波(mV)

相对于非交错式的改善

实测

计算

250

1.6

1.6

0

11.48

10

5.3

6.0

12×

250

1.8

1.8

25

8.86

63

3.4

3.2

18×

250

4.6

1.6

0

11.48

10

1.9

2.4

12×

500

2.8

1.6

0

11.45

11

2.5

2.9

7.5×

500

1.8

1.8

25

8.74

65

3.1

2.7

10×

1000

1.6

1.6

0

11.40

12

4.3

4.2

3.7×

1000

1.8

1.8

25

8.438

71

2.8

2.8

5.6×

* 使用的是COUT和CFLY的实际电容值(电容在电压下会降额),而不是标称值。

表1显示了交错电压纹波与式1的预测非常吻合。另外还显示了其相对于标准的非交错式反相电荷泵的改善幅度。此表中的某些设置还包括与CFLY串联的附加外部电阻RFLY。结果表明,RFLY进一步降低了电压纹波,但要以电荷泵输出电阻为代价。式1和本系列文章第一部分中的分析也对此进行了预测。

除输出电压纹波外,IICP的电磁辐射骚扰与标准电荷泵相比也有所改善。为了衡量这一点,将一根25 mm天线放在评估板上(图5),并测试了多种配置。图6显示了这样一种配置与标准的非交错式电荷泵逆变器的比较。IICP拓扑可将第一和第三开关谐波的噪声降低12 dB至15 dB。5.采用ADP5600评估板的电磁辐射干扰测试设置

 

 

6.电磁辐射干扰VIN = 12 VILOAD = 50 mACFLY = COUT = 2.2 μFfSYNC = 500 kHz。绿色 = 标准,蓝色 = IICP

IICP应用示例

数据转换器、RF放大器和RF开关需要低噪声电源。这些系统中的电源设计面临的主要挑战是:

●功耗和高温运行

●EMI抗扰度和低EMI贡献

●输入电压范围大

●解决方案尺寸和面积应最小化


为了说明IICP的完整设计和优势,我们考虑一个为RF放大器、RF开关和相控阵波束成型器供电的应用。该应用包含在ADTR1107数据手册中,图7复制自其中。此示例需要几个大功率正电压轨——在这里是感性降压转换器的工作。另外还需要两个负电压轨:AVDD1和VSS_SW。

7.ADAR1000加上四个ADTR1107电源轨

 

 

8.ADP5600LT3093用于为AVDD1VSS_SW供电

ADAR1000使用AVDD1为VGG_PA和LNA_BIAS生成低噪声偏置轨。AVDD1为–5 V、50 mA,VSS_SW为ADTR1107中RF开关的–3.3 V、<100 μA电源轨。每个ADAR1000使用四个ADTR1107,因此–3.3 V电源轨最大汲取1 mA电流。通常,这些系统的电源轨为12 V。

ADP5600是从12 V电压产生–5 V、50 mA和–3.3 V、1 mA电源轨的理想选择,因为它实现了低输入和输出电压纹波以及低电磁辐射干扰。此外,它能同步宽范围的开关频率,因而允许将开关噪声放在对系统影响最小的位置。图8显示了最终设计。

LT3093是一款超低噪声LDO线性稳压器,支持高电压,允许将ADP5600电荷泵输出(CPOUT)直接连接到其输入。其–5 V输出由SET引脚上的电阻设置,当AVDD1电源轨符合要求时,可编程的电源良好引脚可以通知其他系统。ADP5600的LDO调节电流低得多的VSS_SW轨。尽管没有LT3093那么低的噪声或那么高的电源抑制比(PSRR),但它能够为VSS_SW提供稳定的电源轨。所有三个轨(电荷泵、AVDD1和VSS_SW)的输出电压纹波如图9所示。

 

9.电荷泵输出电压纹波VIN = 12 VCOUT = 10 μF标称值),CFLY = 2.2 μF标称值),fSYNC = 1 MHz (fOSC = 500 kHz)ILOAD = 50 mA

结论

本系列文章由两部分组成,提出了一种从正电源产生低噪声负电源轨的新方法。第一部分介绍了交错式反相电荷泵操作背后的概念。第二部分将这些想法付诸实践,利用ADI公司的新产品ADP5600构建并测试了一个完整解决方案,并使用第一部分中推导出的数学模型对该解决方案进行了优化。另外还将其传导发射和电磁辐射干扰与标准反相电荷泵进行了比较。在某些情况下,与标准电荷泵逆变器相比,其改善幅度达到18倍,这对于满足现代精密和RF系统的低噪声要求非常重要。

作者:Jon Kraft,ADI高级现场应用工程师

Alexander Ilustrisimo, ADI电源管理产品应用工程师

责编:Amy Guan

 

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • “目不耗电”,苹果设备或实现极致省电模式 ​​​​​​​由于电池技术短期内无法取得突破,因此对于电子设备,解决续航的另外一种方法是:省电。这方面,苹果似乎要做到“目不耗电”的极致:用户在目光不注视设备时关闭电源。
  • 瑞萨电子宣布完成收购Dialog,高管调整 8月31日,瑞萨电子在其官方新闻稿中宣布与Dialog正式合并,约2,300名原Dialog员工已加入瑞萨集团。同时自 2021 年 10 月 1 日起,瑞萨内部高管将发生变化,真冈朋光(Tomomitsu Maoka) 将于 2021 年 9 月 30 日卸任高级副总裁兼汽车解决方案业务部副总经理 , Dialog 高级副总裁兼总经理Vivek Bhan 接任……
  • 桌上型显示器面板竞争版图生变:三星退出,中国崛起 韩国面板巨头三星显示 (Samsung Display) 2020年上半年宣布计划在2020年年底前退出液晶面板市场,并将专注于扩大其QD-OLED业务。继乐金显示 (LG Display) 减产液晶面板电视产能之后,三星显示也在2021年二季度正式退出桌上型显示器面板市场。韩国企业“战略撤退”,意味着中国大陆将占据液晶面板市场主导……
  • 拆解Realme Q2i 5G手机:通过硬件控制成本,实现998的售价 首先,Q2i 的屏幕采用6.5英寸1600x720分辨率的LCD屏,720P分辨率的智能手机已经比较少见了,而且这块屏幕的生产厂商未知。再加上未知厂商电芯+OV主摄都进一步降低了整机成本……
  • 一边是芯片IPO受阻,一边是恒大汽车打包出售,巨头跨界玩 丰田宝马车厂减产,比亚迪电子IPO受阻,恒大汽车打包出售,拜腾项目烂尾,巨头跨界高调进军汽车行业,2021年怎么这么多巨头都在有大动作,还都是高调行事,究竟为那般呢?
  • 英飞凌CEO:芯片价格过低将影响厂商扩产积极性 全球性的芯片缺货已经持续近一年了,产能紧张、缺货涨价的事情今年内肯定是解决不了,到2022年能否供需平衡?各方也说法不一。英飞凌CEO就当前情况表态称,如果此时芯片价格过低,那对全球产能提高不利。
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  • EMC对策产品: TDK推出用于移动设备 TDK株式会社(TSE:6762)推出用于移动设备的TCM0403M系列小型薄膜共模滤波器
  • 比科奇ORANIC板卡获行业大奖,5G小基 比科奇(Picocom)日前宣布:该公司荣获全球小基站论坛(SCF)一项大奖,其全新的ORANIC板卡赢得了全球小基站论坛(SCF)2021年度“小基站芯片及组件杰出创新金奖”。
  • 为什么DDR电源设计时需要VTT电源 往期精彩1、超全超详细Mos管元件特性及工作原理介绍;2、超详细开关电源芯片内部电路解析;3、70G硬件设计资料汇总分享;【友情推荐】4、分享一份老工程师(某为工作15年)经常使用的pcb企业封装库包
  • 推动本土FPGA生态建设,2021 FPGA生态峰会火热报名中!!! FPGA在我国通信、工业、汽车、物联网以及医疗电子、消费电子领域正发挥越来越大的作用,伴随FPGA的应用深入,FPGA厂商高歌猛进,在2020年均获得了快速发展!继成功举办两届FPGA应用创新论坛之后
  • 基站中的无源交调(PIM)----挑战和解决方案 电子万花筒平台核心服务 中国最活跃的射频微波天线雷达微信技术群电子猎头:帮助电子工程师实现人生价值! 电子元器件:价格比您现有供应商最少降低10%射频微波天线新产品新技术发布平台:
  • 【世说芯品】芯讯通5G模组赋能智能重卡 推动车联网建设 全球5G行业正蓬勃发展,5G商用已成为“兵家必争之地”。5G就如同一把“黄金钥匙”,能以超高可靠性、超低时延和万物互联的特性,实现工业环境中海量数据接入与关键数据实时传输的多种应用需求,实现人、机、物
  • 如何将Flash模拟成EEPROM ↑点击上方蓝色字体,关注“嵌入式软件实战派”获得更多精彩内容。温馨提示:本文参考《EEPROM Emulation with Qorivva MPC55xx, MPC56xx, and MPC57xx
  • 建厂难、验证烦,Foundry和Fabless的同一个“困惑”  问题到底出在哪里?作者:亚亚君引言——几年前,上海的一位领导向芯谋研究首席分析师顾文军问了一个问题:“作为国内领先的代工厂,中芯国际能给高通流片28纳米工艺,为什么不能给展锐流片?而展锐作
  • Xilinx 携手魔视智能助推汽车前视摄像头创新 ★NEWS★赛灵思公司与魔视智能( Motovis )今日宣布,双方正合作推出一款面向汽车市场的解决方案。它将赛灵思车规级( XA ) Zynq® 片上系统( SoC )平台与魔视智能的卷积神经网络(
  • Q2晶圆代工排名公布:台积电第一、中芯国际第五 8月31日,集邦资讯公布了Q2季度全球晶圆代工市场最新排名,总产值达到了244.07亿美元,环比增长6.2%,创下了2019年Q3季度以来连续8个季度增长的新高。在TOP10厂商中,台积电一家独大,Q
  • 【数据】2021年vivo占稳中国手机市场第一 关注国产手机最新消息:今日,知名市调机构Counterpoint Research发文称,vivo是中国智能手机市场的低调之王。但从数据来看,vivo自2021年第一季度以来一直占据着中国智能手机市场
  • 半导体产业之污染控制(一) 这几节小编将为大家解释污染对器件工艺、器件性能和器件可靠性的影响,以及芯片生产区域存在的污染类型和主要的污染源。同时,也将对净化间规划、主要的污染控制方法和晶片表面的清洗工艺进行讨论。首先来看看什么是
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了