开关电容芯片的三种电压转换电路讲解

文章导读

今天给小伙伴们介绍下开关电容芯片进行电压转换相关的内容，希望对大家有所帮助哈，可以参加讨论或后台留言哈!

1 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120µA，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。

2 引脚功能介绍

1)引脚功能图

2)引脚功能说明

（1） 光纤通道（引脚1）。

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） 大写+（引脚2）/ 电容-（引脚4）。

分别连接电荷泵电容的正负引脚。

（3） 接地（引脚3）。

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） 输出（引脚5）。

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（引脚6）。

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（引脚7）。

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+（引脚8）。

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。

3 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。

4 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。

总结

今天给小伙伴们介绍了下开关电容芯片的芯片概述、引脚说明、转换电路讲解，内部功能等内容，希望了解更多内容可以去看芯片手册哈，希望对大家有所帮助哈！