作者： TI 工程师 Wanda Wang
Abstract
光通信应用经常需要从+3.3V的输入电源升压得到一组正负电压，比如+/-20V，常见的做法是用两颗芯片分别去产生+20V和-20V输出，这种方案体积会比较大，对面积敏感的应用无法满足要求。本文在TI升压芯片TPS61046的基础上，引入负压Charge pump电路，实现单芯片同时输出+/-20V，整个方案体积非常小，并就关键器件选型进行了分析，最后给出实测结果。
1. 引 言
光模块的外部供电电压一般是+3.3V，而光器件的驱动经常需要非常高的可调电压，但驱动电流非常小（mA级别），因此采用数模转换器加运算放大器来实现调压是可行的。本文将通过讲解TI的boost芯片TPS61046，结合charge pump方式来实现+/-20V的输出，以此作为运放的供电。
2. TPS61046简介
TPS61046是一款高度集成的boost转换器，内部集成30V的功率管和输入输出隔离开关，最高可以输出+28V。芯片体积只有0.8*1.2mm，工作开关频率达到1MHz，因此输出端可以使用非常小的电感电容，整体方案面积小，正好是适合光模块的应用。
Figure 1． TPS61046基本应用电路
3. 光器件驱动需求
光器件的可调驱动负载电流要求一般比较小，通常采用下图DAC加运放的结构，需要解决的问题是如何给运放提供小体积的正负高压电源。通过charge pump的方式来增加一路负压输出，可以节省整体方案的面积。
Figure 2． DAC和运放调压电路
4. 负压Charge Pump电路
如下图3所示，通过加入Charge pump部分电路，就可以实现一路正的boost升压输出和一路未经过调节的负压输出。当SW 断开时，SW点的电压为Vsw = +Vout+Vd，飞行电容会被充电到Vsw-Vd1；当SW导通时，SW点电压变为0，而电容C两侧电压不能突变，V1= -Vsw+Vd1，那么储能电容C2电压就会充到：V1+Vd2 = -Vout-Vd+Vd1+Vd2
假设Vd=Vd1=Vd2，并且不考虑在二极管，电阻和电容上的损耗，那么可以得到储能电容C2上的电压为-Vout+Vd。其中D2只有在SW 闭合时导通，所以在SW 断开时就需要通过输出电容C2来给外部负载提供电流。
Figure 3． 负压Charge pump电路
4.1 电感的选择
在这类型的升压电路中，电感的选择一般要考虑三个参数：电感值，饱和电流和DCR。电感的平均输入电流 可以通过公式1来计算，电感值可由公式2得到。
公式1
公式2
其中：
：电感纹波电流
：转换效率
从公式2可以看到，电感值越大，电感纹波电流越小，这样可以降低磁滞损耗和EMI干扰。TPS61046 datasheet 中建议 取值在 的40%以下，但在实际应用中可以做适当的调整。因为在低输出电流的应用中，这样取值会导致所需电感比较大，不符合小体积应用的要求。因此，这个建议可以作为电感选择的一个起始参考点，然后根据实际情况去做相应的调整。
4.2 输入输出电容的选择
输出电压纹波同输出电容容值大小以及ESR相关，在这类型的小电流应用中，通常选择陶瓷电容，在保证电容的最大耐压值满足要求后，就需要根据纹波的要求，计算出最小输出电容值。
公式3
其中占空比 
公式4
对于输入电容，TPS61046 datasheet中有明确的指导，大于1uF的陶瓷电容可以满足绝大部分的应用。
4.3二极管的选择
为了提高效率，通常选用前向压降小的肖特基二极管，允许的平均电流和峰值电流要大于平均输出电流和电感的峰值电流，同时反向击穿电压必须高于最大的输出电压值。
4.4 Charge pump回路上RC的选择
在最大输出电流时，一般允许飞行电容两侧的电压纹波在100mV到500mV之间，以保证charge pump回路有足够的动态响应能力。因此，仍然采用公式4进行计算，典型值一般选择在0.1uF到1uF之间。在飞行电容前面串入电阻是为了限制电容上的电流尖峰。但是这个电阻值一般不能选的太小，比如小于1Ω，它起不到电流限制的作用；同时又不能太大，比如大于100Ω，带来的损耗太高，影响电路的输出和效率。通常，10~20Ω是一个比较好的选择。下图是我们实测通过电容的电流波形。
Figure 4． 电流波形R=1Ω Figure 5． 电流R=100Ω
5. 实际应用测试结果
下文将以实际的例子来说明电路的设计，并将给出测试结果。
5.1 设计需求
|
参数 |
典型值 |
|
输入电压 |
+3.3V |
|
输出1 |
+20V/20mA |
|
输出2 |
-20V/20mA |
|
输出电压纹波 |
+/-50mV |
5.2 器件选择
因为输出有两路，参数估算时可以合计为一路，按+3.3V升压到20V，电流为40mA，考虑到charge pump效率，整个电路的效率估算为70%。下面将根据上述的需求来逐一说明各个参数的确定。
根据公式1，可以计算得到通过电感的平均电流：
首先电感纹波电流按平均电流的40%来计，由公式2可以得到电感值：
考虑到光模块对体积有非常高的要求，以及电感值的通用性，这里选择10uH。这也正好满足TPS61046 datasheet中对电感值选择的要求。
反过来，可以计算出电感的纹波电流：
那么通过电感的峰值电流
考虑设计体积和裕量，实际应用中选择的是Sumida的CDRH2D18，
。
对于输入电容，由于TPS61046本身没有要求，我们选择2.2uF+0.01uF陶瓷电容并联。
要计算最小的输出电容，首先计算占空比：
由于正负输出两路需要单独加储能电容，公式4中的
按20mA计算，那么每一路
考虑到电容降额和动态响应问题，并结合TPS61046对输出电容范围的要求，这里选择4.7uF和10nF 的陶瓷电容并联。
对于飞行电容，假设允许的ripple在200mV，根据上述方法计算出该电容最小值为84nF，考虑降额，选用220nF陶瓷电容，串入电阻选择10Ω。根据电流电压要求，二极管选用MBR0540T1G。
5.3 测试结果
根据上述的计算，最终电路设计如下：
Figure 6． 实测电路
图7是上电输出波形。
Figure 7． 上电输出波形
图8是phase和gain裕量的测试结果，可以看到phase裕量为65°。需要注意的是Charge pump的负压输出实际上是开环结构，波特图的测试只对正输出有意义。
Figure 8． 波特图
图9是+/-20V同时稳定输出20mA时的开关波形和电感电流波形。
Figure 9． 电感电流
图10是空载输出纹波测试结果，图11是加10mA负载输出纹波测试结果
Figure 10． 空载纹波 Figure 11． 带10mA负载纹波
在部分应用中，需要考虑方案的动态特性。图12，13，14和15是在不同场景下的动态测试结果。
Figure 12． 50%~75%；2.5A/us；20V输出 Figure 13． 50%~75%；0.1A/us；20V输出
Figure 14． 50%~75%；2.5A/us；-20V输出 Figure 15． 50%~75%；0.1A/us；-20V输出
在测试中我们发现，如果仅在负压输出端加载，测得的纹波和动态性能会比较差，这是因为负压输出端是开环，而电路是根据正压输出端反馈来做调整。因此，实测中我们都会在正压输出端加载，这也符合运放作为负载时的负载特性。
从上述的测试结果看，该设计满足我们的要求。
6. 总结
通过以上分析和测试，可以看到TPS61046通过加一路charge pump的方式，能很好的实现从+3.3V同时得到+/-20V的输出。方案实现简单，体积小，非常适合光模块的应用。
7. 参考文献
[1]. TPS61046器件手册，http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61046.pdf
[2]. Design for a Discrete Charge Pump (SLVA398A)
