차지 펌프는 전압 범위가 제한적이고 성능 스펙트럼 상에서 LDO와 스위칭 레귤레이터 사이에 끼어 있어서 어떤 면에서 그 존재가 거의 잊혀 있다시피 했다. 리니어 테크놀로지는 이러한 한계점을 해결할 고전압 차지 펌프 IC 제품을 출시했다. 150 mA 제품은 소형 풋프린트로 다수의 유용한 기능들을 제공하며, 또 다른 기능 축소 제품은 100 mA 고전압 반전 출력을 제공한다.




차지 펌프 또는 달리 말해 스위치드 커패시터 전압 컨버터는 커패시터를 에너지 저장 소자로 이용해서 출력 전압을 발생시킨다. 예를 들어, 기본적인 차지 펌프 회로의 하나로서 “더블러(doubler)”는 단일 플라잉 커패시터와 2-위상 클록으로 구동되는 4개의 내부 스위치를 이용해서 입력 전압의 두 배가 되는 출력 전압을 발생시키는 것이다. 클록의 첫 번째 위상 시에는 한 쌍의 스위치가 플라잉 커패시터를 입력 전압(VIN)으로 충전한다. 클록의 두 번째 위상 때는 세 번째 스위치가 이 커패시터의 음(-)의 단자를 VIN으로 연결함으로써 실제적으로 이 커패시터의 양(+)의 단자에서 2*VIN을 발생시킨다. 네 번째 스위치는 플라잉 커패시터의 양(+)의 단자를 출력 커패시터로 연결한다. 무부하 조건일 때, 매 사이클마다 전하가 출력 커패시터로 전달됨으로써 출력이 2*VIN으로 충전되도록 하므로 입력 전압의 두 배가 되도록 한다. 출력 부하가 존재할 때는 첫 번째 위상 시에 출력 커패시터가 부하 전류를 공급하고, 두 번째 위상 시에 플라잉 커패시터가 부하 전류를 공급하고 출력 커패시터를 충전한다. 전하 전달이 일어나도록 하기 위해서 출력을 2*VIN보다 조금 낮은 전압으로 레귤레이트한다. 클록의 두 위상 시에 출력 커패시터를 충전 및 방전함으로써 출력 커패시터의 값, 클록 주파수, 출력 부하 전류의 함수로서 출력 리플을 발생시킨다.



여타의 모든 차지 펌프 회로 구현들도 기본적으로는 이러한 방식을 따르되, 다만 스위치와 커패시터를 추가하거나 변경하고 클록의 위상 수를 조절할 수 있다. 차지 펌프는 컨트롤러와 회로 토폴로지에 따라서 전압을 두 배로 하거나, 전압을 세 배로 하거나, 전압을 절반으로 하거나, 전압을 반전시키거나, ×3/2, ×4/3, ×2/3 같이 분수 곱셈 혹은 전압 스케일링을 하거나, 임의적인 전압을 발생시킬 수 있다. 차지 펌프는 이상적인 충전 비율에 근접했을 때 효율이 꽤 우수할 수 있다. 위의 더블러 예의 경우에 입력 전류 공급이 출력 부하 전류의 두 배에 해당되므로 이상적인 경우라 했을 때 입력 전력이 출력 전력과 동일하다. 하지만 실제에 있어서는 정지 동작 전류와 그 밖의 손실들로 인해서 효율이 이상적인 것보다는 조금 낮아진다. 차지 펌프는 범용성으로 인해서 다양한 유형의 애플리케이션 및 시장 분야에 사용할 수 있다.

차지 펌프는 성능 스펙트럼 상에서 LDO와 스위칭 레귤레이터 사이에 자리잡고 있으며, 인덕터를 사용하는 것이 꺼려지는 디자인에 이용하기에 훌륭한 대안을 제공한다. LDO와 비교해서 차지 펌프는 동작을 위해서 추가적인 커패시터(플라잉 커패시터)를 필요로 하지만 인덕터를 필요로 하지 않으며, 통상적으로 가격이 좀 더 비싸고, 출력 잡음 레벨이 더 높고, 출력 전류 용량이 대체로 더 낮다. 하지만 차지 펌프는 LDO와 비교해서 효율이 더 높고, 스위칭 아키텍처 덕분에 열 관리가 우수하고, 전압을 스텝업 및 스텝다운하거나 음(-)의 전압을 발생시킬 수 있어서 유연성이 더 뛰어나다. 기존의 스위칭 레귤레이터와 비교했을 때는 차지 펌프가 출력 전류 용량과 효율이 더 낮다. 하지만 차지 펌프는 더 간편하게 설계할 수 있으며 인덕터를 필요로 하지 않는다. 뿐만 아니라, 제조공정 기술이 향상됨에 따라 이전 세대와 비교해 차지 펌프 입력 전압 범위를 확장할 수 있게 됐다. 표 1은 이들 토폴로지의 주요 성능 파라미터를 비교하고 있다.

차지 펌프의 설계 및 애플리케이션 과제
다수의 산업용 환경에서 단일 종단형(single-ended) 고전압 전원장치를 편리하게 이용할 수 있게 됐다. 하지만 이러한 전원장치는 단일 +24 V 전원으로 ±15 V 레일을 필요로 하는 듀얼 레일 저잡음 고전압 연산 증폭기를 구동하는 것과 같이 바이폴라 전원장치를 필요로 하는 연산 증폭기나 기타 회로들을 구동하기에 적합하지 않다. 연산 증폭기를 이의 음의 레일에 근접하게 구동하면 매우 심각한 왜곡을 일으킬 수 있다. 그러므로 연산 증폭기 출력에서 왜곡을 최소화하기 위해서는 음의 레일을 가장 낮은 신호 레벨보다 낮도록 하는 것이 바람직하다. 적합한 차지 펌프를 선택함으로써 이러한 요구를 충족할 수 있을 것이며 저잡음 포스트 레귤레이터를 이용해서 연산 증폭기 레일이나 기타 잡음에 민감한 회로를 구동하기 위한 반전 전원장치를 국소적으로 구현할 수 있다.
많은 첨단 통신 장비들이 민감한 RF 리시버를 이용하는데, 잡음을 발생시키는 장치(스위칭 전원장치)와 잡음에 민감한 회로들을 조합시키면 간섭 문제를 일으킬 수 있다. 이에 대한 전통적인 해결책은 잡음 발생 회로를 잡음에 민감한 회로로부터 멀리 떨어트리는 것이었다. 하지만 첨단 휴대기기 제품들에서는 모든 것들이 아주 조밀하게 탑재돼 있어서 그렇게 하기가 더 이상 불가능하게 됐다. 차폐는 비용이나 크기 면에서 실용적이지 않다. 기존의 스위칭 전원장치는 협대역 고조파로 잡음 에너지를 집중시킨다. 그런데 이러한 한 고조파가 민감한 주파수(예를 들어, 리시버의 중간 주파수나 IF 통과대역)와 일치하게 되면 간섭이 일어날 수 있다. 차지 펌프는 충분히 낮은 잡음 임계값을 제공하므로 이러한 문제를 해결할 수 있도록 한다.
그러므로 위에서 언급한 차지 펌프 IC의 설계상의 과제를 해결하기 위한 솔루션은 효과적인 고전압 차지 펌프와 레귤레이트 출력 및 낮은 출력 잡음을 결합한 것이 될 것이다.

간소한 새로운 솔루션
리니어 테크놀로지는 이러한 애플리케이션에 이용할 수 있도록 간소하면서도 정교한 고전압 반전 모놀리식 차지 펌프 IC 제품을 개발했다. LTC
3260 및 LTC3261은 범용 차지 펌프 제품이다. LTC3261은 고전압 반전 차지 펌프로서 최대 100 mA의 출력 전류를 공급할 수 있다. LTC3260은 반전 차지 펌프에 낮은 드롭아웃 전압 동작으로 각기 최대 50 mA의 출력 전류를 소싱할 수 있는 양(+)의 및 음(-)의 LDO 레귤레이터를 결합한 제품이다. 음(-)의 LDO 포스트 레귤레이터는 반전 차지 펌프 출력을 이용해서 구동된다. 양(+)의 및 음(-)의 LDO 출력을 외부적인 저항 분배기를 이용해서 각기 최저 1.2 V 및 -1.2 V로 조절할 수 있다. 이 두 디바이스 제품은 4.5~32 V의 넓은 입력 전압 범위에서 동작한다(그림 1 및 그림 2 참조).
LTC3260 및 LTC3261의 내부 차지 펌프가 낮은 정지 전류 Burst Mode짋동작이나 저잡음 정주파수 모드로 동작해서 최대 88%의 효율을 달성한다. Burst Mode 동작일 때는 차지 펌프 출력이 -0.94*VIN으로 레귤레이트된다. 또한 Burst Mode 동작일 때는 LTC3261은 60 μA의 정지 전류만을 소비하며, LTC3260은 두 LDO가 작동 가능한 상태에서 100 μA만을 소비한다. 정주파수 동작은 입력 및 출력 리플을 낮춘다. 이 모드일 때는 차지 펌프가 -VIN에 해당되는 출력을 발생시키며 500 kHz 고정 주파수나 또는 외부 저항을 이용해서 50 kHz에서 500 kHz 사이의 주파수로 프로그램 가능하다. 이들 IC 제품의 기타 특징으로는 세라믹 커패시터를 이용한 안정성으로 외부 부품 수를 줄일 수 있고, 스타트업 시에 과도한 전류 흐름을 방지할 수 있도록 소프트 스타트 회로를 포함하고 있으며, 단락 회로 및 과열 보호 기능을 포함하고 있다. LTC3260 및 LTC3261은 고전압 입력을 이용한 저잡음 바이폴라/반전 전원장치, 산업용/계측기 저잡음 바이어스 발생기, 휴대 의료장비, 자동차 인포테인먼트 시스템 등과 같은 다양한 유형의 애플리케이션에 이용할 수 있다.
LTC3260은 높이가 낮은 (0.75 mm) 3 mm × 4 mm 14리드 DFN 패키지 및 16리드 MSOP 패키지로 제공되며, 이 두 패키지 모두 후면 열 패드를 채택하고 있다. LTC3261은 후면 열 패드를 이용한 12리드 MSOP 패키지로 제공된다. 두 디바이스 제품의 동작 접합부 온도는 -40 ℃ ~ +125 ℃이다.


낮은 출력 리플
LTC3260은 근본적으로 잡음이 낮도록 설계됐다. 이 디바이스는 높은 동작 주파수를 이용함으로써 출력 리플을 낮춘다. LTC3260은 또한 LDO들이 그림 3에서 보는 것과 같이 이 리플을 추가적으로 제거함으로써 1mVp-p 미만의 매우 낮은 잡음의 출력을 제공한다. 그러므로 연산 증폭기나 ADC 드라이버 같은 잡음에 민감한 애플리케이션에 이용하기에 이상적으로 적합하다.

보호회로
LTC3260은 단락 회로 전류 제한 기능과 과열 보호 기능을 포함한다. 단락 회로 조건이 발생하면 자동적으로 출력 전류를 약 160 mA로 제한한다. 또한 접합부 온도가 175 ℃를 넘으면 열 셧다운 회로가 작동해서 출력으로의 전류 공급을 정지시킨다. 접합부 온도가 다시 약 165 ℃로 떨어지면 출력으로의 전류 공급을 재개한다. 열 보호 기능이 작동하고 있으면 접합부 온도가 지정된 동작 범위를 벗어난 것이다. 이 열 보호 기능은 정상적인 동작 범위를 벗어난 일시적인 과부하 조건에 대한 것이다. 연속적으로 지정된 최대 동작 접합부 온도를 벗어나서 동작하게 되면 디바이스의 신뢰성을 손상시킬 수 있다.
표 2는 리니어 테크놀로지의 새로운 차지 펌프 IC 제품으로서 LTC3260 및 LTC3261의 주요 특징과 이점을 요약한 것이다.

결론
차지 펌프는 전압 범위가 제한적이고 성능 스펙트럼 상에서 LDO와 스위칭 레귤레이터 사이에 끼어 있어서 어떤 면에서 그 존재가 거의 잊혀 있다시피 했다. 리니어 테크놀로지는 이러한 한계점들을 해결할 수 있도록 고전압 LTC3260 및 LTC3261 차지 펌프 IC 제품을 내놓았다. 150 mA의 LTC
3260은 소형 풋프린트로 다수의 유용한 기능들을 제공하므로 전반적인 솔루션 크기를 줄일 수 있도록 하며 콤팩트하고 간소한 디자인을 가능하게 한다. LTC3261은 LTC3260의 기능 축소 제품으로서 100 mA 고전압 반전 출력을 제공한다. 그러므로 이제 인덕터 사용을 꺼리는 디자이너들이 간소한 고전압 차지 펌프 IC 제품을 사용할 수 있게 됐다.