探索 LTC1983-3/LTC1983-5：高效反相電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的奧秘

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，反相電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器一直扮演著重要的角色。今天，我們就來深入了解 Linear Technology 公司的 LTC1983-3/LTC1983-5 反相電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，看看它有哪些獨特的特性和應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

LTC1983-3 和 LTC1983-5 是兩款能夠產(chǎn)生負(fù)穩(wěn)壓輸出的反相電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。它們僅需三個小型外部電容，就能提供高達 100mA 的輸出電流。這兩款器件可根據(jù)輸入電源電壓和輸出電流，在開環(huán)模式（產(chǎn)生 -VIN 電源）或穩(wěn)壓輸出模式下運行，非常適合便攜式設(shè)備等應(yīng)用場景。

二、產(chǎn)品特性亮點

1. 輸出電壓特性

• 固定輸出電壓：提供 -3V、-5V 固定輸出電壓，或者實現(xiàn)低噪聲的 VIN 到 -VIN 反相輸出。
• 高精度輸出：輸出電壓精度可達 ±4%，能夠滿足對電壓精度要求較高的應(yīng)用。

  2. 低功耗設(shè)計

• 低靜態(tài)電流：典型靜態(tài)電流僅為 25μA，有助于降低系統(tǒng)功耗，延長電池續(xù)航時間。
• 零電流關(guān)斷：通過 SHDN 引腳可實現(xiàn)零電流關(guān)斷模式，進一步節(jié)省功耗。

  3. 強大的輸出能力

• 高輸出電流：具備 100mA 的輸出電流能力，能夠為負(fù)載提供充足的電流。

  4. 寬工作電壓范圍

• 靈活適配：工作電壓范圍為 2.3V 至 5.5V，可以適應(yīng)多種不同的電源輸入。

  5. 內(nèi)部振蕩器

• 穩(wěn)定時鐘：內(nèi)部集成 900kHz 振蕩器，為電荷泵的工作提供穩(wěn)定的時鐘信號。

  6. 保護功能

• 短路和過溫保護：具備短路和過溫保護功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

  7. 封裝優(yōu)勢

• 輕薄設(shè)計：采用低剖面（1mm）的 ThinSOT? 封裝，節(jié)省電路板空間，適合對體積要求嚴(yán)格的應(yīng)用。

三、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

1. 單電源系統(tǒng)中的 -3V 生成

在單電源系統(tǒng)中，LTC1983-3 可以方便地生成 -3V 電壓，為系統(tǒng)中的其他電路提供必要的負(fù)電源。

2. 便攜式設(shè)備

其低功耗、小體積的特點使其非常適合用于便攜式設(shè)備，如手機、平板電腦、手持儀器等，有助于延長設(shè)備的電池使用時間。

3. LCD 偏置電源

為 LCD 提供穩(wěn)定的偏置電壓，保證 LCD 的正常顯示。

4. GaAs FET 偏置電源

滿足 GaAs FET 對偏置電源的需求，確保其性能穩(wěn)定。

四、電氣特性詳解

1. 絕對最大額定值

2. 電氣參數(shù)

在不同的工作條件下，LTC1983-3/LTC1983-5 具有不同的電氣參數(shù)表現(xiàn)。例如，在穩(wěn)壓輸出模式下，LTC1983-3 的 VIN 工作電壓范圍為 3.0V 至 5.5V，LTC1983-5 為 5.0V 至 5.5V；最小啟動電壓為 2.3V 等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計電路時提供了重要的參考依據(jù)。

五、工作原理剖析

1. 穩(wěn)壓輸出實現(xiàn)

LTC1983-3/LTC1983-5 通過內(nèi)部電阻分壓器感測輸出電壓，當(dāng)輸出電壓下降到 COMP1 的上限觸發(fā)點以上時，啟用電荷泵。電荷泵由一個 2 相、非重疊時鐘控制，時鐘 1 使飛跨電容充電至 VIN 電壓，時鐘 2 反轉(zhuǎn) VIN 電壓并將 CFLY 的底板連接到輸出電容 VOUT。這個充電和放電過程以 900kHz（典型值）的自由運行頻率持續(xù)進行，直到輸出電壓被泵降至 COMP1 的下限觸發(fā)點，電荷泵停止工作。在低負(fù)載條件下，電荷泵停止工作時，LTC1983 僅從 VIN 汲取 25μA（典型值）電流，實現(xiàn)了高效率。

2. 關(guān)斷模式

在關(guān)斷模式下，所有電路都被關(guān)閉，器件從 VIN 電源汲取的電流小于 1μA，同時 VOUT 與 VIN 和 CFLY 斷開連接。SHDN 引腳的閾值約為 0.7V，當(dāng)向 SHDN 引腳施加低電平時，器件進入關(guān)斷模式。

3. 開環(huán)運行

當(dāng)輸入電壓過低或輸出電流過高時，LTC1983-3/LTC1983-5 將以開環(huán)模式運行，作為低輸出阻抗逆變器，輸出電壓為 (V{OUT }=-left[V{IN }-left(I{OUT } cdot R{OUT }right)right])。

六、電容選擇與設(shè)計要點

1. 電容類型選擇

為了獲得最佳性能，建議使用低 ESR 的陶瓷或鉭電容作為 CIN 和 COUT，以減少噪聲和紋波。不推薦使用鋁電解電容，因為其等效串聯(lián)電阻（ESR）較高。

2. 電容值選擇

• CIN 和 COUT：電容值應(yīng)不小于 4.7μF，增大 COUT 至 10μF 或更大可以減少輸出電壓紋波。
• 飛跨電容 CFLY：建議使用陶瓷電容，值在 0.1μF 至 4.7μF 之間。對于輕負(fù)載應(yīng)用，可將 CFLY 減小至 0.01μF 至 0.047μF，以減少輸出紋波，但會降低效率和最大輸出電流。

  3. 電容其他特性考慮

  除了 ESR 和電容值，還需要考慮電容的溫度穩(wěn)定性、電壓系數(shù)和頻率特性等因素。例如，飛跨電容和輸出電容應(yīng)選用溫度穩(wěn)定性較好的 X5R 或更優(yōu)的陶瓷電容。

七、輸出紋波控制

1. 紋波產(chǎn)生原因

正常工作時，LTC1983 會在 VOUT 引腳產(chǎn)生電壓紋波。低頻紋波主要由于感測比較器的滯后和電荷泵啟用/禁用電路的傳播延遲引起，高頻紋波主要由輸出電容的 ESR 導(dǎo)致。

2. 紋波降低方法

• 增大 COUT 電容：使用 22μF 或更大的電容可以同時降低低頻和高頻紋波。
• 使用低 ESR 陶瓷電容：可最小化高頻紋波，但對于低頻紋波的改善需要選擇高電容值。
• 電容組合使用：在 VOUT 上并聯(lián) 10μF 至 22μF 的鉭電容和 1μF 至 4.7μF 的陶瓷電容，可同時降低低頻和高頻紋波。
• 使用 RC 濾波器：可用于減少高頻電壓尖峰。
• 減小 CFLY 電容：在輕負(fù)載或高 VIN 應(yīng)用中，使用較小的 CFLY 電容（0.01μF 至 0.047μF）可以減少輸出紋波，但會降低最大輸出電流和效率。

八、典型應(yīng)用電路

1. -3V at 100mA DC/DC 轉(zhuǎn)換器

輸入電壓范圍為 3V 至 5.5V，輸出電壓為 -3V，最大輸出電流可達 100mA。

2. 2.5V 到 -2.5V DC/DC 轉(zhuǎn)換器

實現(xiàn) 2.5V 輸入到 -2.5V 輸出的轉(zhuǎn)換。

3. 100mA 反相 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

輸入電壓范圍為 2.5V 至 5.5V，輸出電壓為 -VIN。

4. 組合非穩(wěn)壓倍壓器和穩(wěn)壓逆變器

通過特定的電路設(shè)計，實現(xiàn)倍壓和反相穩(wěn)壓輸出。

九、總結(jié)

LTC1983-3/LTC1983-5 反相電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場景和良好的性能表現(xiàn)，為電子工程師在電源設(shè)計方面提供了一個優(yōu)秀的選擇。在實際應(yīng)用中，合理選擇電容、控制輸出紋波、優(yōu)化電路板布局等方面都需要工程師仔細考慮，以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢。大家在使用過程中有沒有遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。