《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一种宽输入低纹波电荷泵负压电源芯片设计
电子技术应用
郭威1，张有涛2，国洪轩1，孙立涛1
1.东南大学 集成电路学院，江苏 无锡 214000；2.南京国博电子股份有限公司
摘要： 为解决电感型电源芯片电磁干扰严重和电容型电源芯片输出纹波过大的问题，设计了一种电容型电源芯片。该芯片采用无电感结构，在高频条件下输出纹波低于1 mV，接近电感型电源芯片。芯片输出电压可在-16 V至-3 V范围内调节，工作频率可在90 kHz到1 MHz间改变。该电路基于250 nm工艺设计实现。仿真结果表明，在输入电压为16 V、输出电流为100 mA、工作频率为1 MHz的条件下，输出纹波为0.6 mV，输出电压为-14.84 V，效率达到87.1%；当工作频率降至90 kHz时，输出纹波为10 mV，输出电压为-14.83 V，效率提升至91.9%。仿真数据表明，该芯片具有良好的适应性，可满足多种应用场景的需求。
中圖分類號：TN433 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256442
中文引用格式： 郭威，張有濤，國洪軒，等. 一種寬輸入低紋波電荷泵負壓電源芯片設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(10)：24-31.
英文引用格式： Guo Wei，Zhang Youtao，Guo Hongxuan，et al. Design of charge pump negative voltage power supply chip with wide input range and low output ripple[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(10)：24-31.
Design of charge pump negative voltage power supply chip with wide input range and low output ripple
Guo Wei1，Zhang Youtao2，Guo Hongxuan1，Sun Litao1
1.School of Integrated Circuit， Southeast University；2.Nanjing Guobo Electronics Co.，Ltd.
Abstract： In order to solve the problem of serious electromagnetic interference of inductive power supply chip and large output ripple of capacitive power supply chip, a capacitive power supply chip is designed. The output ripple voltage is lower than 1 mV under high frequency condition with a non-inductance structure, which is close to the inductance power chip. The output voltage of the chip can be adjusted in the range of -16 V to -3 V, and the operating frequency can be changed between 90 kHz and 1 MHz. The circuit is designed and implemented based on 250 nm process. The simulation results show that under the conditions of input voltage of 16 V, output current of 100 mA and operating frequency of 1 MHz, the output ripple voltage is 0.6 mV and output voltage is -14.84 V, and the efficiency reaches 87.1%. When the operating frequency is reduced to 90 kHz, the output ripple voltage is 10 mV, the output voltage is -14.83 V, and the efficiency is increased to 91.9%. The experimental data show that the chip has good adaptability and can meet the needs of various application scenarios.
Key words : cross coupling；low ripple；negative voltage；wide input range

引言

隨著5G技術(shù)的迅猛發(fā)展及其應(yīng)用需求的日益增長，射頻芯片作為5G通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，受到了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。增強型氮化鎵器件憑借其優(yōu)異的特性，如較低的導通電阻、柵電容和輸出電容，以及較高的功率密度和擊穿電壓，在射頻領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。為了實現(xiàn)對增強型氮化鎵器件的穩(wěn)定驅(qū)動，需要使用到生成負電壓的負壓電源[4]。負壓電源可以通過基于電感或電容構(gòu)成的電荷泵電路實現(xiàn)。其中，基于電感的電荷泵能夠生成紋波較小且工作效率較高的負壓，但使用電感元件會引入電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），EMI不僅會導致射頻系統(tǒng)的能量損耗，還會產(chǎn)生額外的噪聲，從而影響系統(tǒng)性能[5]；相比之下，傳統(tǒng)電荷泵生成的負壓雖然幾乎沒有EMI，但是效率低、輸出紋波大[6-7]。

在射頻等對電磁干擾比較敏感的領(lǐng)域，若需實現(xiàn)穩(wěn)定且高效的電源管理，電荷泵電源芯片無疑是極具性價比的選擇，但其較大的輸出紋波限制了其使用場景。針對這一問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種低紋波、寬輸入范圍的負壓電荷泵。該電荷泵能在高壓和低壓條件下均保持低紋波的輸出；可通過片外電阻直接調(diào)節(jié)電荷泵的工作頻率，方便輸出端濾波。最后的仿真結(jié)果表明，該芯片能夠滿足不同應(yīng)用環(huán)境的電源需求，具有實用性。


本文詳細內(nèi)容請下載：

http://ihrv.cn/resource/share/2000006801


作者信息：

郭威1，張有濤2，國洪軒1，孫立濤1

（1.東南大學 集成電路學院，江蘇 無錫 214000；

2.南京國博電子股份有限公司，江蘇 南京 211111）


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