开关电容电压转换器

知识点：电压变换器

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开关电容芯片概述

    LM2660CMOS电荷泵电压转换器是一种多功能的无调节开关电容逆变器或倍频器。

 

    在1.5V到5.5V的宽电源电压范围内工作，LM2660使用两个低成本电容器提供100毫安的输出电流，而与基于电感器的转换器相关的成本、尺寸和电磁干扰无关。

 

    LM2660的工作电流仅为120?A，在大多数负载下工作效率大于90%，为电池供电的系统提供了理想的性能。

 

    LM2660器件可以直接并联运行以降低输出阻抗，从而在给定电压下提供更大的电流。

 

    FC（频率控制）引脚可选择标称10 kHz或80 kHz之间的频率振荡器。

 

    振荡器的频率可以通过在OSC管脚上增加一个外部电容器来降低。

 

    此外，OSC引脚可用于驱动具有高达150khz的外部时钟的LM2660。通过这些方法，可以控制输出纹波频率和谐波。

 

    另外，LM2660可以被配置成将正输入电压精确地分为两半。在这种模式下，可以使用高达11V的输入电压。

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引脚功能介绍

    1）引脚功能图

    2）引脚功能说明

    ① FC（Pin1）。

    内部振荡器的频率控制，FC悬空时，fOSC=10KHz(典型值)；

FC = V+时，fOSC=80KHz(典型值)，OSC引脚由外部驱动时FC不起作用。

 

    ② CAP+（Pin2）/ CAP-（Pin4）。

    分别连接电荷泵电容的正负引脚。

 

    ③ GND（Pin3）。

    用作电压反向器（逆变器）接地；用作电压双倍器时连接正向的供电电压。

 

    ④ OUT（Pin5）。

    用作电压反向器，用作负电压输出；用作电压双倍器时接地。

 

    ⑤ LV（Pin6）。

    用作电压反向器，作为低压操作输入。当输入电压低于3.5V时，将LV连接到GND。高于3.5V，LV可以连接到GND或保持打开。当用外部时钟驱动OSC时，低压必须接地；用作电压双倍器时，OSC要用OUT接到一起。

 

    ⑥ OSC（Pin7）。

    用作电压反向器，作为振荡器控制输入。OSC连接到内部15 pF电容器。可以连接一个外部电容器来减慢振荡器的速度。此外，还可以使用外部时钟来驱动OSC；用作电压双倍器时，与逆变器相同，但OSC不能由外部时钟驱动。

 

    ⑦ V+（Pin8）。

    用作电压反向器，正向接供电电压；用作电压双倍器作为正电压输出。

    

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3种电压转换电路

    1）电压反向器电路

    电压从V+引脚输入，输入电压范围为1.5V-5.5V，从OUT输出输出电压为-5.5V到-1.5V。

    LM2660的主要应用是产生负电源电压。电压变换器电路仅使用两个外部电容器，如基本应用电路中所示。

 

    输入电源电压的范围是1.5V到5.5V。对于小于3.5V的电源电压，LV引脚必须接地以绕过内部调节器电路。这在低压应用中提供了最佳性能。如果电源电压大于3.5V，LV可以接地或保持开路。

 

    选择保持低压开启简化了LM2660，可以直接替代LMC7660开关电容电压转换器。

 

    该电路的输出特性可以用一个理想电压源和一个电阻串联来近似。

 

    电压源等于?（V+）。输出电阻路径是内部MOS开关导通电阻、振荡器频率、C1和C2的电容和ESR的函数。

    

    2）双倍电压转换器电路

    从GND输入电压，输入电压范围2.5V-5.5V，从V+输出两倍的输入。

    LM2660可以作为正电压倍增器工作。双倍功能是通过反向连接到设备来实现的。

 

    输入电压施加在GND引脚上，允许电压范围为2.5V至5.5V。V+引脚用作输出。低压引脚和输出引脚必须接地。在此操作模式下，OSC引脚不能由外部时钟驱动。

 

    空载输出电压是输入电压的两倍，并且不会因二极管D1的正向压降而降低。

 

    肖特基二极管D1仅用于启动。内部振荡器电路使用V+引脚和LV引脚（在倍压电路中接地）作为其电源轨。V+和LV之间的电压必须大于1.5V，以确保振荡器的工作。

 

    在启动过程中，D1被用来在V+管脚上充电，以启动振荡器；同时，它还可以保护设备不打开自己的寄生二极管和潜在的闭锁。因此，肖特基二极管D1应具有足够的载流能力，以便在启动时对输出电容器进行充电，以及一个低的正向电压，以防止内部寄生二极管导通。

 

    肖特基二极管如1N5817可用于大多数应用。如果输入电压斜坡小于10V/ms，则可以使用较小的肖特基二极管（如MBR0520LT1）来减小电路尺寸。

    3）输入电压减半电路

    从V+输入电压，输入范围为1.5V-11V，从GND输出一半的输入。

    在基本应用电路中显示的另一个有趣的应用是使用LM2660作为精密分压器。由于每个开关的关断电压等于VIN/2，所以输入端电压可以到+11V。

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内部功能描述

    1）LM2660功能说明

    LM2660包含四个大的CMOS开关，它们按顺序切换以反转输入电源电压。

    能量传输和储存由外部电容器提供。上图说明了电压转换方式。

 

    当S1和S3闭合时，C1向电源电压V+充电。在此时间间隔内，开关S2和S4断开。

 

    在第二个时间间隔内，S1和S3打开，S2和S4关闭，C1充电C2。经过若干次循环后，C2上的电压将被泵送至V+。

 

    由于C2的阳极接地，因此假设C2上没有负载，开关中没有损耗，电容器中没有ESR（等效串联电阻），C2阴极的输出等于-（V+）。

 

    实际上，电荷转移效率取决于开关频率、开关的导通电阻和电容器的ESR。

    2）ESR补充

    ESR为等效串联电阻的意思，英文Equivalent Series Resistance。

 

    带ESR的芯片或器件串联会增大ESR，并联会减小ESR。

 

    理论上，一个理想的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质会有所损耗。

 

    通常认为电容上面电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。但有了ESR，电阻自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产生突变。这会降低电容的滤波效果，所以在高质量的电源应用中，都使用低ESR的电容器。

 

    通常的钽电容的ESR通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。

 

    ESR值与纹波电压的关系可以用公式V=R（ESR）×I表示。这个公式中的V就表示纹波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，纹波电压也会成倍提高。

 

    ESR引发的故障通常很难检测，而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。在仿真的时候，如果无法选择电容的具体参数，可以尝试在电容上人为串联一个小电阻来模拟ESR的影响。

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