基于LTC3245 的低EMI高压充电泵方案

作者：Tony Armstrong，电源产品部产品市场总监，凌力尔

开关稳压器由于尺寸、输出灵活性和效率优势，成为很多电源转换电路的流行选择。视运行条件的不同而不同，这类电源的转换效率现在可以达到 98% 的水平。但是，尽管有这些优势，这类电源还必须在其他参数上做出妥协，其中最难的一个就是噪声。

什么是开关稳压器的“噪声”？ 为了更好地理解这个术语，让我们从开关模式电源产生宽带谐波能量这一事实入手。这种人们不想要的能量以两种形式出现，即辐射和传导，在业界，它们通常被称为“噪声”。然而，这个名称并不够准确，因为开关稳压器的输出“噪声”根本就不是噪声，而是直接与稳压器的开关切换有关的、自然而然剩余的高频分量。这种现象的正确叫法是电磁辐射，或者更常见的叫法是 EMI。而且，确实，EMI 有辐射和传导两种形式。

既然在很多电路应用中，要实现最佳性能，无噪声、良好稳压的电源非常重要，那么能够降低在这种转换过程必然存在的噪声也就非常重要了。降低噪声的一种显然方式是使用线性稳压器。然而，尽管线性稳压器提供噪声很低的电源轨，但是在高降压比时，其转换效率不佳，这在大输出电流应用中，可能导致设计出现热量问题。

相应地，开关稳压器通常比线性稳压器的转换效率高，因此当最终应用需要大输出电流时，开关稳压器的热量设计会更简单。人们能够很好地理解，在决定几乎所有电源成败时，组件选择和电路板布局发挥了非常重要的作用。这些方面决定了运行时的 EMI 和热量表现。对外行而言，开关电源布局也许看似魔法，但实际上，在设计初期，这常常是被忽视的一个基本方面。既然总是必须满足运行时的 EMI 要求，那么对电源运行稳定性有好处的事，通常对降低 EMI 辐射也是有好处的。此外，从一开始就确定一个良好的布局，不会给设计增加任何成本，而且实际上，由于无需 EMI 滤波器、机械屏蔽、EMI 测试时间和无数次修改电路板，因此还有可能节省了成本。

开关稳压器辐射

在工业、医疗和汽车环境中，散热少、效率高对应用很重要，因此通常用开关稳压器替代线性稳压器。此外，开关稳压器一般是输入电源总线上的第一个有源组件，因此对整个产品设计的EMI性能有很大的影响。

传导辐射依赖于连接到产品上的导线和走线。既然噪声局限于设计中的特定端子或连接器，那么如上面已经提到的那样，在开发过程中，常常可以通过良好的布局或滤波器设计，相对较早地确保满足传导辐射要求。

辐射 EMI 则完全是另一回事。电路板上携带电流的所有东西都辐射电磁场。电路板上的每一条走线都是天线，每一个铜平面都是谐振器。除了纯正弦波或 DC 电压，任何信号都产生遍布信号频谱的噪声。即使进行了仔细设计，在系统进行测试之前，电源设计师也从不会真正知道辐射 EMI 有多严重。而直到设计基本完成，才会正式进行辐射 EMI 测试。

滤波器常常用来降低 EMI，降低某个频率或某个频率范围内的干扰强度。通过增加金属屏蔽和磁屏蔽，可以衰减经由空间辐射的那部分能量。通过增加铁氧体珠和其他滤波器，可以降伏依赖 PCB 走线的那部分能量 （传导辐射）。EMI 不可能彻底消除，但是可以衰减到其他通信、信号处理和数字组件可接受的水平。此外，为了确保符合工业和汽车系统要求，几家监管机构执行了一些标准。

采用表面贴装技术的新式输入滤波器组件比通孔式组件性能高。然而，这种改进却抵不过今天高频开关稳压器日益提高的要求。在更高的工作频率上要求非常短的最短接通和断开时间，导致因开关转换更快而带来更高次谐波分量，因此增大了辐射噪声。不过，要获得更高的转换效率，就需要这样高的开关速度。开关电容器充电泵没有这种问题，因为这种充电泵以低得多的开关频率工作，而且最重要的是，可以容许较慢的开关切换而不会降低效率。

熟练的 PCB 设计师会设计很小的热环路，并使屏蔽接地层尽可能靠近激活层。然而，要在去耦组件中存储充足的能量，对器件引脚布局、封装结构、热设计和封装尺寸就会有一定的要求，这些要求决定了最小热环路尺寸。使问题更加复杂的是，在典型平面印刷电路板中，走线之间高于 30MHz 的磁性或变压器型耦合将减弱所有滤波效果，因为谐波频率越高，不希望的磁耦合就越有效。

解决 EMI 问题的另一种方案

已尝试过真正解决 EMI 问题的方法是，针对整个电路采用屏蔽盒，即使这样，屏蔽也不能完全防止对盒内敏感电路的耦合。当然，这提高了成本、增大了所需电路板空间、使热量管理和测试更加困难并增加了额外的组装费用。另一种经常使用的方法是降低开关速度。这种方法会产生一些不希望的效应，即降低效率，延长最短接通 / 断开时间以及相关的停滞时间，因此降低了潜在的电流控制环路速度。

在某些噪声应用中，由于相关的 EMI 辐射，电源设计师不喜欢使用基于电感器的稳压器。同时，由于相对低的转换效率和需要散热器，线性稳压器 （即 LDO） 也有可能被排除在外。结果，设计师们转向了另一种常见和称为充电泵的方法。

充电泵已经出现几十年了，它们提供 DC/DC 电压转换，用开关网络给两个或更多电容器充电和放电。基本充电泵开关网络在电容器的充电和放电状态之间切换。如图 1 所示，C1 是“浮动电容器”，运送电荷，C2 是“存储电容器”，保存电荷，并对输出电压滤波。增加“浮动电容器”和开关阵列会实现多种好处。

图 1：一个电压反相器的简化充电泵方框图

当开关 S1 和 S3 接通或断开时，开关 S2 和 S4 断开或接通，输入电源给 C1 充电。在下一个周期中，S1 和 S3 断开，S2 和 S4 接通，电荷传送到 C2，产生 VOUT = -（V+）。

高压充电泵

LTC3245 是一款降压-升压型稳压器，丢弃了传统上使用的电感器，而采用了一个开关电容器充电泵。其输入电压范围为 2.7V 至 38V，可在没有反馈分压器的情况下使用，以产生 3.3V 或 5V 这两个固定输出电压之一，或者通过反馈分压器设定为 2.5V 至 5.5V 范围内的任何输出电压。最大输出电流为 250mA（图2）。LTC3245 能够调节高于或低于输入电压的输出电压，从而能够满足汽车冷车发动需求。

图 2：LTC3245 原理图，从 2.7V 至 38V 输入提供固定 5V 输出

这个充电泵用 12V 电源提供 5V/100mA 输出时，能实现 80% 的效率，这几乎是线性稳压器的两倍，从而有可能避免像带散热器的 LDO 那样高之空间和成本要求。该充电泵满负载时功耗几乎低 LDO 三倍。参见图 3 的 LTC3245 效率和功耗曲线。

图 3：12V 输入至 5V 输出时，LTC3245 效率 / 功耗曲线

LTC3245 还具备出色的辐射和传导 EMI 性能，如图 4 和5 所示。这些测量结果是在一个符合 CISPR22 和 CISPR25 要求的微型容器中得出的。正如能够看到的那样，恰当地去耦合以后，在满足政府的辐射和传导 EMI 监管法规要求方面，LTC3245 不会产生任何问题。

图 4：LTC3245 的辐射EMI 图5： LTC3245 的传导EMI

在很多工业、医疗和汽车应用中，运算放大器、驱动器和传感器等电子产品常常需要双极性电源。不过，罕有可用于负载点处的双极性电源。由于这种需求以及由于缺少简便易用的解决方案，凌力尔特公司开发了 LTC3260。

LTC3260 是一款负输出充电泵 DC/DC 转换器，具备两个低噪声 LDO 稳压器跟随器，可用单一 4.5V 至 32V 输入电源产生正和负电源，如图 6的完整原理图所示。该器件可以在高效率突发模式（Burst Mode®） 运行和低噪声恒定电流频率模式之间切换，从而允许设计师针对应用做出最佳权衡。

LTC3260 可用反相输入电压在充电泵输出 VOUT 端提供高达 100mA 电流。这个 VOUT 还作为负 LDO 稳压器 LDO- 的输入电压。充电泵频率可用单个电阻器在 50kHz 至 500kHz 范围内调节。LTC3260 的每个 LDO 都可支持高达 50mA 的负载。而且，每个 LDO 在 50mA 时都有 300mV 压差电压，输出电阻器分压器网络可用来设定输出电压。当两个稳压器都禁止时，停机静态电流仅为 2μA。

图 6：12V 输入电源至 ±5V 输出