-----本文簡介-----
主要內(nèi)容包括：
一款自帶LDO的電荷泵
----- 正文 -----
看到了一款內(nèi)部自帶兩個LDO的電荷泵LM27762，有點意思，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，輸入正電壓輸出正、負電壓。為大家介紹一下內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計目的。
1. 負壓輸出電荷泵基礎(chǔ)原理
a.充電階段，開關(guān)SI和S3閉合，為飛跨電容C1充電，充滿后電容C1上邊電壓為VIN，下面電壓為0V。
b.能量轉(zhuǎn)移階段，開關(guān)S2和S4閉合，C1反向連接在GND和CPOUT之間，將電荷"泵入"輸出電容，暫不考慮對外輸出，由于此時輸出電容Ccopout的上側(cè)為GND，因此Ccoput的下側(cè)電壓為-VIN。Ccpout起到對開關(guān)紋波初步濾波的作用。
2. 電荷泵的工作頻率
為何電荷泵要選擇Mhz以上的工作頻率呢，這個其實和電路面積有關(guān)，首先分析飛跨電容充放電，可以看出，飛跨電容是來回充電和放電來回交替的，放電階段輸出電壓會降低，如果輸出電流恒定，那么就意味著放電時間越長，輸出電壓就降低的越多，也就意味著輸出紋波會較大。
想要減小紋波應(yīng)該怎么辦呢，一是增大飛跨電容的容值，我們假設(shè)開關(guān)的占空比是50% ，也就意味著每個開關(guān)周期有一半時間在充電，如果飛跨電容足夠大，在這段時間中充的能量就更多，那么在放電階段就能維持更高的輸出電壓，也就是輸出紋波會減小了。 另外一個方法是提高開關(guān)頻率，這個原理很簡單，既然放電時間越長輸出電壓越低，那么提高開關(guān)頻率就意味著能減少放電時間，這個輸出電壓降低的就少，紋波就更小。
3. 電荷泵的缺陷
雖然電荷泵使用方便，但其開關(guān)操作會引入明顯的輸出電壓紋波，紋波頻率就是電荷泵開關(guān)的工作頻率fsw。
4. 串聯(lián)LDO的凈化作用
LDO對輸入電壓紋波有一定的抑制作用，可以參考以前的文章--LDO與DC-DC串聯(lián)到底能抑制多少紋波？因此將LDO串聯(lián)在電荷泵后可以減少電荷泵開關(guān)引起的輸出紋波。
5. 該架構(gòu)的實際效果
LDO雖然能抑制紋波，但是抑制效果與輸入紋波頻率有關(guān)，LM27762的內(nèi)部LDO在10kHz下的PSRR為-50dB，但是在100kHz下的PSRR僅為-40dB，更高頻率下的PSRR并沒有數(shù)據(jù)，按照一般規(guī)律，隨著頻率升高，PSRR會降低，在Mhz以上的PSRR基本可以忽略不計，那么這個LM27762的工作頻率是2Mhz，串聯(lián)LDO還有意義嗎？
LM27762實際是采用了2級濾波架構(gòu)：
- 電荷泵級濾波：4.7μF低ESR陶瓷電容（CPOUT）構(gòu)成一階RC濾波,對2MHz噪聲提供約-20dB衰減（ESR=5mΩ時）
- LDO級濾波：內(nèi)部PNR + 外部2.2μF電容形成二階濾波,對100kHz以下噪聲額外增加30dB抑制
雖然對2MHz基波抑制有限，但LDO能有效改善：
- 100kHz以下的電源紋波（對音頻關(guān)鍵頻段特別重要）
- 電荷泵的次諧波噪聲（如100kHz PWM調(diào)制分量）
- 負載瞬態(tài)引起的低頻波動
實際的輸出紋波：
5. PFM模式
在很多場景下，對功耗要求較高，因此很多電源芯片在輕載或者無負載時會降低工作頻率，為何降低工作頻率能減小損耗？參考文章：低負載高效率的BUCK是如何實現(xiàn)的？
LM27762設(shè)置了在空載時工作頻率降低到2kHz，隨著負載的增大逐步提高工作頻率，直到增大到最高的2Mkz。其實結(jié)合前文，在進入PFM模式后低頻工作時，恰好在LDO的紋波抑制效果比較好的頻率區(qū)間，這可能也是增加LDO的目的。
6. 應(yīng)用注意事項
a.飛跨電容的容值與封裝選擇 ，根據(jù)前文分析，飛跨電容與輸出負載大小以及工作頻率有關(guān)，選的太小可能會造成輸出紋波過大，因此建議在面積允許的情況下選擇較大的容值。另外材質(zhì)一般選擇陶瓷電容，陶瓷電容等效容值與實際加在電容兩端的電壓有關(guān)
b.熱設(shè)計，由于這個芯片內(nèi)包含兩個LDO，且自身封裝較小，因此熱設(shè)計需要慎重考慮，參考文章：IC與器件的熱設(shè)計