【导读】于电子设计范畴，噪声敏感型运用中的负电压轨常面对快速瞬态变化难题，这对于电路机能及不变性组成挑战。为霸占这一难题，本文精心打造了一种立异的反相降压 - 升压解决方案。该方案选用一款单芯片降压转换器，巧妙地将 Silent Switcher® 3(SS3)技能融入反相降压 - 升压(IBB)拓扑布局。颠末全方位严酷测试，此方案于多个要害指标上体现卓着，不仅能将负载瞬态峰峰值电压降至最低，有用按捺低频噪声，还有能年夜幅缩减年夜容量输出电容及电感的尺寸，同时确保体系始终连结高效率运行。依附对于 SS3 技能高速特征的充实使用，该方案总体机能获得全方位优化晋升。本文还有将深切剖析其设计技巧与留意事项，为工程师后续设计提供有力参考。

择要

于电子设计范畴，噪声敏感型运用中的负电压轨常面对快速瞬态变化难题，这对于电路机能及不变性组成挑战。为霸占这一难题，本文精心打造了一种立异的反相降压 - 升压解决方案。该方案选用一款单芯片降压转换器，巧妙地将 Silent Switcher® 3(SS3)技能融入反相降压 - 升压(IBB)拓扑布局。颠末全方位严酷测试，此方案于多个要害指标上体现卓着，不仅能将负载瞬态峰峰值电压降至最低，有用按捺低频噪声，还有能年夜幅缩减年夜容量输出电容及电感的尺寸，同时确保体系始终连结高效率运行。依附对于 SS3 技能高速特征的充实使用，该方案总体机能获得全方位优化晋升。本文还有将深切剖析其设计技巧与留意事项，为工程师后续设计提供有力参考。

弁言

负电压电源广泛运用在浩繁范畴，例如旌旗灯号链中的数模转换器(DAC)及模数转换器(ADC)驱动器、显示器及射频(RF)中的功率放年夜器、成像体系、光学二极管，以和主动测试装备(ATE)顶用在实现真正0 V输出的偏置电路。这些运用凡是对于电源噪声比力敏感，不仅包括基本的开关频率和更高频率的噪声，还有涵盖从开关频坦白至低至0.1 Hz的低频噪声。为了削减这类低频噪声，电源设计师经常会采用后置滤波低压差(LDO)稳压器。然而，这类要领不仅会增年夜解决方案的尺寸，还有会降低其运行效率。对于在要求低频输出噪声极低且无需LDO稳压器的运用，Silent Switcher® 3系列超低噪声单芯片降压转换器提供了绝佳的解决方案。SS3的高开关速率、宽节制环路带宽和精彩的低频噪声机能，其实不仅局限在于降压运用中阐扬作用。经由过程从头配置简朴的半桥拓扑布局，SS3可被用作反相降压-升压(IBB)转换器，以孕育发生负输出电压。架构上的细微调解，使患上SS3可以或许于需要负电压轨具有低频噪声机能的运用中运行。传统上，此类解决方案会包罗两个阶段：起首采用反相降压-升压(IBB)或者库克(CÜK)转换器来天生负电压，然后利用负电压LDO稳压器作为后置滤波级，以满意低频噪声要求。然而，对于应极为器重解决方案尺寸（高度及面积）的运用而言，这类要领其实不可取。除了了无需利用LDO稳压器来减小解决方案的尺寸以外，SS3的高开关频率及节制环路带宽还有可被使用来减小电感器及年夜容量输出电容的巨细。

本文是一份周全的设计指南，先容了怎样将SS3系列产物LT8624S用作负电压运用中的IBB。设计指南以客户需求的情势出现，概述了一系列颇具挑战性的解决方案指标，并与于低频噪声机能方面最为靠近的竞品举行了对于比。于设计历程的阐述中，切磋了与IBB相干的特定难题，例如依据负载电流切确拔取适配的电感器尺寸等。此外，文中还有分享了一个实用技巧：经由过程将IBB的右半平面零点(RHPZ)移至更高频率来增长节制环路带宽。

负电压运用

于如下运用中，功率放年夜器需要-5V的负电源电压。电压轨将由一个5V电源供电，而且必需切合2 妹妹的低高度限定，同时还有要连结紧凑的形状尺寸。表1提供了完备且具体的规格清单。将LT8624S用作IBB是此运用的抱负解决方案，由于它具备高速率及精彩的低频噪声机能，可以或许于连结优良效率的同时实现紧凑的解决方案尺寸。道理图见图1。

表1.客户运用的规格清单

值患上留意的是，当利用单芯片降压稳压器作为IBB时，IC的参考电位是–VOUT，而非接地(GND)。于确定最年夜输出电压时，这一区分至关主要。输出电压可以使用公式1计较，此中VICMaxrating暗示IC用作降压转换器时的最年夜额定电压。对于在LT8624S而言，此额定值为18 V。此外，因为IC以输出电压为参考电位，是以，任何所需的外部节制旌旗灯号，好比用在使能IC或者与外部时钟同步的旌旗灯号（EN/UVLO及SYNC/MODE引脚），都需要一个电平转换器电路来将旌旗灯号的参考电位调解至与该IC相匹配。电平转换器电路的一个示例如图1所示。

图1.道理图，SS3作为–5 VOUTIBB运行，具备2.2 MHz FSW。

设计电感器及确定开关频率

于设计紧凑型IBB解决方案时，尽可能缩小电感器尺寸至关主要。为了选出适合的电感器，首要使命是找到一系列能最抱负地满意客户尺寸要求的电感器。对于此，可以经由过程充实使用2 妹妹的高度限定并只管即便减小电感器的面积来实现。需要留意的是，物理尺寸更年夜的电感器凡是可以或许提供更年夜的电流承载能力及更高的能效比。

于最先筛选时，可以思量Coilcraft的高机能XGL系列屏蔽电感器。只管有2 妹妹的高度规格限定，但可供选择的电感器种类依然繁多，是以还有需要进一步筛选。为此，可使用公式2及公式3来计较满载时电感器的平均电流及峰值电流。此中，IL暗示平均电感电流，IPEAK暗示峰值电感电流，0.4暗示40%交流电感纹波电流，而n则暗示转换器效率。

需要着重留意的是，与降压转换器差别，IBB的平均电感电流是输入电流及输出电流之及。这一特征增长了电感器设计的繁杂性，由于输入电流可能会发生变化。是以，电感器的尺寸可能会比降压转换器更年夜。假定于满载时效率为90%，交流纹波电流为40%，按照客户的满载规格计较患上出的平均电感电流约为2.1 A，峰值电流为2.52 A。思量到这些计较出的电流值，就能够选择适合的电感器了。所选电感器的IRMS额定值应年夜在2.1A的平均电感电流。抱负环境下，ISAT（电感值降落10%的电流）应年夜在2.52 A的峰值电感电流。综合思量这些因素，包括对于最小面积的要求，终极选择了XGL4020系列电感器。于这个系列中，2.2 µH及1.5 µH的电感器当选为可能的备选方案。为了确定最好的电感器，经由过程于一系列差别的开关频率规模内举行扫描，开展了一系列满载效率测试。方针是于最高频率下实现至少90%的效率。

成果注解，最好组合是事情频率为2.2 MHz的1.5 µH电感器。满负载环境下的效率到达90.2%，满意了客户的要求。图2显示了1.5 µH电感器于2.2 MHz下的效率曲线。

图2.1.5 µH 2.2 MHz解决方案的效率曲线。

设计年夜容量输出电容

一旦确定了电感器及开关频率，接下来的使命就是设计IBB的年夜容量输出电容。与遴选电感器近似，输出电容器必需遵守2 妹妹高度限定，而且要占用尽可能小的面积，以满意客户的运用需求。此外，必需有充足的输出电容，以便于半载到满载的瞬态变化历程中，使输出电压的峰峰值连结于40 mV之内。这些电容器于5 V电压下还有必需举行降额利用。为了找到最适合的电容器，选择了Murata公司作为供给商，由于该公司的电容器产物文档记载完美，且产物种类富厚多样。经由过程比力差别型号电容器于降额后的输出电容值，终极选用了22 µF 0805电容器，由于它于满意尺寸要求的环境下，可以或许提供最年夜的电容量。

选定电容后，需要确定年夜容量输出电容的总容量。这可以按照客户规格举行一系列负载瞬态台架测试来实现。详细做法是，先利用远超合理数目的电容，好比十个22 µF的电容器，以满意输出电压峰峰值的要求并确保不变性。随后，逐渐削减电容器数目，直至输出电压峰峰值恰好低在40 mV，同时要包管赔偿环节连结不变且处在最好状况。

此外，还有应举行满载波特图测试，以验证节制环路的相位裕度至少为45°，增益裕度为8 dB。

经由过程这一历程，年夜容量输出电容被优化为七个22 µF电容器。于负载以0.5 A/µs的摆率从0.5 A变为1 A再变回0.5 A的瞬态历程中，输出电压(VOUT)的峰峰值为36 mV。这满意了客户对于输出电压峰峰值为40 mV的要求。负载瞬态测试成果如图3所示。

图3.于0.5 A/µs摆率下，0.5 A至1 A负载阶跃的瞬态波形。

1 A负载下的波特图显示，带宽为103 kHz，相位裕度为53°，而增益裕度则为8.2 dB，这些指标均于预期规模内。波特图如图4所示。

图4.1.5 µH 2.2 MHz解决方案于1 A负载下的波特图。

低频噪声丈量及竞品比力

客户的运用对于10 Hz至1 MHz频率规模内的噪声较为敏感，这一点必需思量于内。于这个频率规模内，所需的积分噪声应低在25 µV rms。利用频谱阐发仪及放年夜器就能够轻松丈量这个噪声规模。对于上述设计的解决方案举行测试后发明，10 Hz至1 MHz的积分噪声为22 µV rms，低在客户的最低要求。为了举行对于比，对于最靠近SS3的竞品举行了测试，于不异测试前提下（包括利用不异的电感器、输出电容和开关频率）测患上竞品的积分噪声为90 µV rms。噪声测试成果如图5所示。

图5.于1 A负载下对于SS3和其最具竞争力的竞品所做的低频机能比力。

增年夜SS3 IBB的节制环路带宽

于查看告终果后，客户对于运用的规格要求举行了更新。客户发明，其功率放年夜器要求于10Hz至1 MHz的频率规模内，积分噪声最低为20 µV rms，而且VOUT的负载瞬态容差要小在35 mV p-p。遗憾的是，今朝的设计没法满意这些新要求，是以必需举行改良以晋升机能。幸运的是，SS3具有高速节制环路功效，可以或许于无需分外增长输出电容的环境下，实现更快的负载瞬态相应及更低的噪声程度。

为了充实使用SS3的快速节制回路，需要从头定位IBB的RHPZ。RHPZ于节制环路中引起增益晋升及相位延迟，从而限定了转换器的带宽，进而降低了SS3的机能。基在当前采用1.5 µH电感器的设计，RHPZ约莫位在265 kHz处，这致使转换器于约27 kHz四周呈现相位丧失。RHPZ的频率位置可使用公式4来确定，此中L暗示电感器的电感值。

公式4.用在计较RHPZ的频率位置。

经由过程不雅察该公式，可以较着看出，RHPZ的位置与电感器的电感值呈反比瓜葛。这象征着，借使倘使利用电感值更低的电感器，即可将RHPZ移至更高的频率。而将RHPZ移到更高的频率，可以或许有用增长节制环路的带宽。不外，若要连结不异的电感器纹波电流，就需要提高开关频率。XGL4020系列中下一个可用的电感器规格为1 µH，是以开关频率应提高到3.3 MHz。依附SS3具有的6 MHz开关能力，实现这一点其实不坚苦。新的RHPZ位置约莫会于398 kHz处，这应该足以将节制环路带宽晋升到更高的频率。修改后的设计道理图如图6所示。

图6.1.0 µH 3.3 MHz SS3 IBB解决方案的道理图。

节制环路比力

为了验证带宽方面的改良，于5 VIN输入、-5 VOUT输出及1 A负载的前提下举行了波特图测试。测试成果以和与先前设计的对于比环境如图7所示。成果注解，带宽从103 kHz增长到123 kHz，相位裕度为54°，增益裕度则为9.8 dB。需要着重留意的是，为了得到与采用1.5 µH转换器设计时相近的相位裕度，对于节制环路举行了从头赔偿。

图7.两种转换器设计方案于1 A负载下的波特图并排比力。

新设计于节制环路速率方面晋升了约20%，随落伍行了与初始设计不异的从0.5 A到1 A再到0.5 A的负载瞬态测试。丈量成果显示，输出电压的峰峰值为30 mV。这些成果与采用1.5 µH电感器设计的成果于表2中举行了对于比。

表2.两种转换器设计于0.5 A到1 A再到0.5 A负载瞬态下的峰峰值电压比力

低频噪声比力

接下来，对于低频噪声举行了测试，以确定是否满意新的10 Hz至1 MHz的积分噪声要求。成果注解，积分噪声的丈量值为18.9 µV rms，切合新划定的20 µV rms尺度。将这一成果与1.5 µH设计举行了对于比，噪声曲线如图8所示。

图8.两种SS3解决方案和其最具竞争力的竞品于1 A负载下的低频机能比力。

效率比力

鉴在这类转换器的开关频率相较在初始设计提高了50%，有须要从头评估其满载效率。效率测试成果如图9所示。丈量成果显示，满载效率为89.5%。只管此数值略低在90%的要求，但客户对于这一成果暗示满足，由于于客户的设计中，效率并不是首要思量因素。

图9.1.5 µH与1.0 µH解决方案的效率曲线比力。

结论

SS3系列单芯片降压式稳压器可以无缝转换为反相降压-升压式稳压器，以孕育发生一个负电压轨。对于在开关稳压器而言，这些稳压用具备无与伦比的低频噪声机能，同时还有拥有较高的节制环路速率及开关速率。是以，对于在需要快速瞬态相应且对于噪声敏感的负电压运用场景来讲，SS3是抱负的解决方案。

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