MAX680/MAX681：+5V 到 ±10V 電壓轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電壓轉(zhuǎn)換是一個(gè)常見且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。今天我們就來(lái)深入探討一下 Maxim Integrated 公司的 MAX680/MAX681 這兩款 +5V 到 ±10V 的電壓轉(zhuǎn)換器，看看它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中能為我們帶來(lái)哪些便利和優(yōu)勢(shì)。

文件下載：MAX680.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX680/MAX681 是單芯片、CMOS 雙電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，能夠從 +5V 輸入電壓產(chǎn)生 ±10V 輸出。它結(jié)合了正向升壓電荷泵（從 +5V 輸入產(chǎn)生 +10V）和反相電荷泵（產(chǎn)生 -10V 輸出），并且都帶有一個(gè)片上 8kHz 振蕩器。不同的是，MAX681 內(nèi)部集成了電容，而 MAX680 則需要四個(gè)外部電容來(lái)實(shí)現(xiàn)單電源產(chǎn)生正負(fù)電壓。這款轉(zhuǎn)換器典型輸出源阻抗為 150Ω，可提供高達(dá) 10mA 的有用輸出電流。低靜態(tài)電流和高效率的特點(diǎn)，使其適用于需要從單電源產(chǎn)生正負(fù)電壓的各種應(yīng)用場(chǎng)景。不過(guò)對(duì)于新設(shè)計(jì)，也推薦考慮 MAX864/MAX865，其中 MAX864 工作頻率高達(dá) 200kHz，使用更小的電容；MAX865 采用更小的 μMAX 封裝。

二、技術(shù)特性亮點(diǎn)

高效轉(zhuǎn)換

電壓轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 95%，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 85%。如此高的效率意味著在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中損失較小，能有效降低功耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率。在一些對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用中，這一特性顯得尤為重要。

寬電壓范圍

支持 +2V 到 +6V 的電壓輸入范圍，這使得它在不同電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，增加了其使用的靈活性。無(wú)論是使用低電壓的電池供電，還是標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電源，都可以輕松應(yīng)對(duì)。

電容配置靈活

MAX680 僅需四個(gè)外部電容，這些電容可以選擇價(jià)格相對(duì)較低的 1μF 到 100μF 范圍內(nèi)的電解電容。而 MAX681 則無(wú)需外部電容，內(nèi)部集成了所需電容，對(duì)于 PCB 板空間有限的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是一個(gè)很好的選擇。

低供電電流

供電電流僅為 500μA，低功耗的特性使得它在一些對(duì)電源續(xù)航要求較高的設(shè)備中表現(xiàn)出色，如電池供電的手持儀器等。

單芯片 CMOS 設(shè)計(jì)

單芯片的設(shè)計(jì)使得電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，減少了外部元件的使用，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。同時(shí)，CMOS 工藝具有低功耗、高集成度等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的性能和可靠性。

三、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

電池供電設(shè)備

可以從 3V 鋰電池產(chǎn)生 ±6V 電壓，為電池供電的設(shè)備提供合適的電源。在一些手持儀器、便攜式設(shè)備中，由于電池電壓有限，需要通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換來(lái)滿足不同電路的工作需求，MAX680/MAX681 就可以很好地完成這個(gè)任務(wù)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運(yùn)算放大器

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常常需要正負(fù)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器等模擬電路。MAX680/MAX681 可以從標(biāo)準(zhǔn)的 +5V 邏輯電源產(chǎn)生 ±10V 電壓，為模擬電路提供穩(wěn)定的電源，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和精度。

面板儀表電源

為面板儀表提供所需的正負(fù)電源，確保儀表的正常工作。在工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域，面板儀表是常見的顯示和監(jiān)測(cè)設(shè)備，穩(wěn)定的電源供應(yīng)對(duì)于其性能至關(guān)重要。

四、電路工作原理與分析

正向電壓轉(zhuǎn)換器

MAX680/MAX681 的正向電壓轉(zhuǎn)換器通過(guò)片上振蕩器產(chǎn)生 50% 占空比的時(shí)鐘信號(hào)。在時(shí)鐘周期的前半部分，開關(guān) S2 和 S4 斷開，S1 和 S3 閉合，電容 C1 充電至輸入電壓 VCC；后半周期，S1 和 S3 斷開，S2 和 S4 閉合，C1 的電壓上升 VCC，通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移使 C3 上的電壓達(dá)到 2VCC，從而產(chǎn)生正電源。

負(fù)向電壓轉(zhuǎn)換器

負(fù)向轉(zhuǎn)換器的開關(guān)與正向轉(zhuǎn)換器相位相反。在時(shí)鐘周期的后半部分，S6 和 S8 斷開，S5 和 S7 閉合，電容 C2 從 V+（由正向電荷泵升壓至 2VCC）充電到 GND；前半周期，S5 和 S7 斷開，S6 和 S8 閉合，C2 上的電荷轉(zhuǎn)移到 C4，產(chǎn)生負(fù)電源。這里的八個(gè)開關(guān)均為 CMOS 功率 MOSFET，其中 S1、S2、S4 和 S5 為 P 溝道開關(guān)，S3、S6、S7 和 S8 為 N 溝道開關(guān)。

效率考慮

理論上，電荷泵電壓倍增器在電荷泵開關(guān)幾乎無(wú)偏移且導(dǎo)通電阻極低、驅(qū)動(dòng)電路功耗極小、儲(chǔ)能和泵電容的阻抗可忽略不計(jì)的條件下，效率可接近 100%。對(duì)于 MAX680/MAX681，每個(gè)時(shí)鐘周期的能量損失是正向和負(fù)向轉(zhuǎn)換器能量損失之和。如果泵電容 C1 和 C2 的阻抗相對(duì)于其各自的輸出負(fù)載較高，正向泵的 (V+ - VCC) 與 VCC 之間以及 V+ 與 V- 之間會(huì)存在較大的電壓差。增大 C3 和 C4 儲(chǔ)能電容的值可以減少輸出紋波，同時(shí)增大泵電容和儲(chǔ)能電容的值也能提高效率。

最大工作限制

MAX680/MAX681 片上有齊納二極管，可將 VCC 鉗位到約 6.2V，V+ 鉗位到 12.4V，V- 鉗位到 -12.4V。使用時(shí)切勿超過(guò)最大電源電壓，否則過(guò)大的電流可能會(huì)通過(guò)這些二極管，從而損壞芯片。該器件在 +2V 到 +6V 的輸入電壓下，可在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)正常工作。

五、實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

正負(fù)轉(zhuǎn)換器電路

這是 MAX680/MAX681 最常見的應(yīng)用，作為雙電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，它能提供兩倍于正輸入電壓的正負(fù)輸出。對(duì)于 PCB 板空間有限的應(yīng)用，可選擇 MAX681；而使用 MAX680 時(shí)，需要外部電容 C1 和 C3 用于正向泵，C2 和 C4 用于負(fù)向泵。在大多數(shù)應(yīng)用中，四個(gè)電容可選擇低成本的 10μF 或 22μF 極化電解電容。在低電流應(yīng)用中，C1 和 C2 電荷泵電容可選用 1μF，C3 和 C4 儲(chǔ)能電容可選用 4.7μF。需要注意的是，C1 和 C3 的額定電壓必須為 6V 或更高，C2 和 C4 的額定電壓必須為 12V 或更高。

并聯(lián)器件以降低源電阻

將多個(gè) MAX680/MAX681 并聯(lián)使用，可以降低正向和負(fù)向轉(zhuǎn)換器的輸出電阻。有效輸出電阻等于單個(gè)器件的輸出電阻除以并聯(lián)器件的數(shù)量。每個(gè) MAX680 需要單獨(dú)的泵電容 C1 和 C2，但可以共享一組儲(chǔ)能電容。

單 3V 電池實(shí)現(xiàn) ±5V 穩(wěn)壓電源

通過(guò)結(jié)合 MAX680/MAX681、MAX666 和 MAX664，可以從單個(gè) 3V 電池實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的 ±5V 電源。MAX680/MAX681 在 V+ 端提供 +6V 電壓，由 MAX666 穩(wěn)壓至 +5V；在 V- 端提供 -6V 電壓，由 MAX664 穩(wěn)壓至 -5V。MAX666 和 MAX664 在晶圓分選時(shí)已預(yù)調(diào)整，無(wú)需外部設(shè)置電阻，減少了元件數(shù)量。整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)電流小于 500μA，輸出電流能力為 5mA。當(dāng) VCC 為 5V 時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓輸出可同時(shí)輸出 10mA 電流。

六、總結(jié)與思考

MAX680/MAX681 作為一款性能出色的電壓轉(zhuǎn)換器，在效率、靈活性和適用性方面都有很好的表現(xiàn)。它的多種特性和應(yīng)用場(chǎng)景為電子工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了更多的選擇和思路。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們也需要根據(jù)具體的需求和電路條件，合理選擇器件和配置電容，以達(dá)到最佳的性能和穩(wěn)定性。例如，在選擇電容時(shí)，要考慮電容的容量、耐壓和成本等因素；在并聯(lián)器件時(shí)，要注意電路的布局和布線，避免出現(xiàn)干擾和不穩(wěn)定的情況。大家在使用 MAX680/MAX681 時(shí)，有沒有遇到過(guò)什么特殊的問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。