开关电容器充电泵
充电泵已经存在了几十年，它们提供 DC/DC 电压转换，使用一个开关网络对两个或更多的电容器进行充电和放电。基本的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，“飞跨电容器”C1 负责往返运送电荷，“储能电容器”C2 用于保存电荷并对输出电压进行滤波。附加的“飞跨电容器”和开关阵列可实现多种增益。
图 1：电压逆变器的简化充电泵方框图
当开关 S1 和 S3 导通 (即闭合)，而开关 S2 和 S4 切断 (即开路) 时，输入电源为 C1 充电。在下一个周期中，S1 和 S3 断开，S2 和 S4 导通，电荷转移至 C2，从而产生 VOUT = – (V+)。
然而直到近期，充电泵一直存在着输入和输出电压范围有限的问题，因而限制了其在输入常常高达 40V 或更高的工业和汽车应用中的使用。
在该领域中新近推出的一款产品是凌力尔特的 LTC3256。它是高集成度、高电压低噪声双输出电源，采用单一正输入电压，无需电感器并以高效率提供 5V 和 3.3V 降压电源。该器件在很宽的 5.5V 至 38V 输入电压范围内工作，包括可独立地使能的双输出：5V 100mA 电源，以及 250mA 3.3V 低压差 (LDO) 稳压器，总共提供 350mA 可用输出电流。与双 LDO 解决方案相比，这些稳压器结合使用后的功耗会低得多。例如，在 12V 输入和两个输出均为最大负载情况下，LTC3256 的功耗降低超过 2W (相比于双 LDO 方案)，从而显著减少了热损耗和输入电流。这款器件的完整原理图请见图 2。
图 2：LTC3256 原理图具有一个 5V/100mA 输出和一个 3.3V/250mA 输出
LTC3256 专为符合 ISO26262 诊断覆盖要求的系统而设计，纳入了丰富的安全和系统监视功能。该器件非常适合要求采用高电压输入提供低噪声、低电源轨的各种应用，例如：汽车 ECU / CAN 收发器电源、工业 / 电信内务处理电源、以及通用型低功率转换。
LTC3256 通过以 2:1 模式运行充电泵，在尽可能宽的工作范围内最大限度提高效率，并在需要时自动切换到 1:1 模式，以与 VIN 和负载情况保持一致。受控输入电流和软切换最大限度降低了传导和辐射 EMI。该器件在两个输出均处于调节状态 (无负载) 时，静态电流仅为很低的 20μA，在停机模式中则为 1μA。集成的看门狗定时器、独立的电源良好输出以及复位输入确保了可靠的系统运行并实现故障监视。1.1V 缓冲基准输出允许针对安全运行至关重要的应用进行系统自测试诊断。LTC3256 还提供额外的安全功能，包括过流故障保护、过热保护和 38V 输入瞬态容限。
下面图 3 中的曲线图突出显示了 LTC3256 的优良功耗特性。在 12VIN 时，具有 3.3V/250mA 和 5V/100mA 输出的 LTC3256 消耗约 750mW 功率，而双 LDO 方案在相同条件下的功耗则几乎达到 3W。也就是说 LTC3256 的功耗少了 2.25W，对于设计的热方面而言这是一个巨大的好处。
图 3：LTC3256 与双 LDO 的功耗特性比较
结论
众所周知，在初始设计过程中需要谨慎地关注 EMI 考虑因素，以确保它们将在系统设计完成之时顺利通过 EMI 测试。迄今为止，除了非常低功率系统之外，还没有万无一失方法来保证利用正确的电源 IC 选择就能轻松地如愿以偿。不过，随着最近 LTC3256 高电压充电泵等低 EMI 稳压器的推出，现在有了一种可用的替代选择。它可提供高得多的效率和较低的功耗 (当与线性稳压器相比)，而且不必应对采用开关稳压器时存在的补偿、布局、磁学和 EMI 问题。
