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。
中图分类号：TN433 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256442
中文引用格式： 郭威，张有涛，国洪轩，等. 一种宽输入低纹波电荷泵负压电源芯片设计[J]. 电子技术应用，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.
中文引用格式： 郭威，张有涛，国洪轩，等. 一种宽输入低纹波电荷泵负压电源芯片设计[J]. 电子技术应用，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
随着5G技术的迅猛发展及其应用需求的日益增长，射频芯片作为5G通信系统中的关键组件，受到了学术界和工业界的广泛关注。增强型氮化镓器件凭借其优异的特性，如较低的导通电阻、栅电容和输出电容，以及较高的功率密度和击穿电压，在射频领域得到了广泛应用[1-3]。为了实现对增强型氮化镓器件的稳定驱动，需要使用到生成负电压的负压电源[4]。负压电源可以通过基于电感或电容构成的电荷泵电路实现。其中，基于电感的电荷泵能够生成纹波较小且工作效率较高的负压，但使用电感元件会引入电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI），EMI不仅会导致射频系统的能量损耗，还会产生额外的噪声，从而影响系统性能[5]；相比之下，传统电荷泵生成的负压虽然几乎没有EMI，但是效率低、输出纹波大[6-7]。
在射频等对电磁干扰比较敏感的领域，若需实现稳定且高效的电源管理，电荷泵电源芯片无疑是极具性价比的选择，但其较大的输出纹波限制了其使用场景。针对这一问题，本文设计并实现了一种低纹波、宽输入范围的负压电荷泵。该电荷泵能在高压和低压条件下均保持低纹波的输出；可通过片外电阻直接调节电荷泵的工作频率，方便输出端滤波。最后的仿真结果表明，该芯片能够满足不同应用环境的电源需求，具有实用性。
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//www.51qz.net/resource/share/2000006801
作者信息：
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，江苏 南京 211111）
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