探索 LTC1983-3/LTC1983-5：高效反相电荷泵 DC/DC 转换器的奥秘

在电子设备的电源管理领域，反相电荷泵 DC/DC 转换器一直扮演着重要的角色。今天，我们就来深入了解 Linear Technology 公司的 LTC1983-3/LTC1983-5 反相电荷泵 DC/DC 转换器，看看它有哪些独特的特性和应用场景。

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一、产品概述

LTC1983-3 和 LTC1983-5 是两款能够产生负稳压输出的反相电荷泵 DC/DC 转换器。它们仅需三个小型外部电容，就能提供高达 100mA 的输出电流。这两款器件可根据输入电源电压和输出电流，在开环模式（产生 -VIN 电源）或稳压输出模式下运行，非常适合便携式设备等应用场景。

二、产品特性亮点

1. 输出电压特性

• 固定输出电压：提供 -3V、-5V 固定输出电压，或者实现低噪声的 VIN 到 -VIN 反相输出。
• 高精度输出：输出电压精度可达 ±4%，能够满足对电压精度要求较高的应用。

  2. 低功耗设计

• 低静态电流：典型静态电流仅为 25µA，有助于降低系统功耗，延长电池续航时间。
• 零电流关断：通过 SHDN 引脚可实现零电流关断模式，进一步节省功耗。

  3. 强大的输出能力

• 高输出电流：具备 100mA 的输出电流能力，能够为负载提供充足的电流。

  4. 宽工作电压范围

• 灵活适配：工作电压范围为 2.3V 至 5.5V，可以适应多种不同的电源输入。

  5. 内部振荡器

• 稳定时钟：内部集成 900kHz 振荡器，为电荷泵的工作提供稳定的时钟信号。

  6. 保护功能

• 短路和过温保护：具备短路和过温保护功能，提高了系统的可靠性和稳定性。

  7. 封装优势

• 轻薄设计：采用低剖面（1mm）的 ThinSOT™ 封装，节省电路板空间，适合对体积要求严格的应用。

三、应用领域广泛

1. 单电源系统中的 -3V 生成

在单电源系统中，LTC1983-3 可以方便地生成 -3V 电压，为系统中的其他电路提供必要的负电源。

2. 便携式设备

其低功耗、小体积的特点使其非常适合用于便携式设备，如手机、平板电脑、手持仪器等，有助于延长设备的电池使用时间。

3. LCD 偏置电源

为 LCD 提供稳定的偏置电压，保证 LCD 的正常显示。

4. GaAs FET 偏置电源

满足 GaAs FET 对偏置电源的需求，确保其性能稳定。

四、电气特性详解

1. 绝对最大额定值

参数	数值
VIN 到 GND	–0.3V 至 6V
SHDN 电压	–0.3V 至 6V
VOUT 到 GND（LTC1983-3）	0.2V 至 VOUT Max
VOUT 到 GND（LTC1983-5）	0.2V 至 VOUT Max
IOUT Max	125mA
输出短路持续时间	无限期
工作温度范围	–40°C 至 85°C
存储温度范围	–65°C 至 125°C
引脚温度（焊接，10 秒）	300°C

2. 电气参数

在不同的工作条件下，LTC1983-3/LTC1983-5 具有不同的电气参数表现。例如，在稳压输出模式下，LTC1983-3 的 VIN 工作电压范围为 3.0V 至 5.5V，LTC1983-5 为 5.0V 至 5.5V；最小启动电压为 2.3V 等。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。

五、工作原理剖析

1. 稳压输出实现

LTC1983-3/LTC1983-5 通过内部电阻分压器感测输出电压，当输出电压下降到 COMP1 的上限触发点以上时，启用电荷泵。电荷泵由一个 2 相、非重叠时钟控制，时钟 1 使飞跨电容充电至 VIN 电压，时钟 2 反转 VIN 电压并将 CFLY 的底板连接到输出电容 VOUT。这个充电和放电过程以 900kHz（典型值）的自由运行频率持续进行，直到输出电压被泵降至 COMP1 的下限触发点，电荷泵停止工作。在低负载条件下，电荷泵停止工作时，LTC1983 仅从 VIN 汲取 25µA（典型值）电流，实现了高效率。

2. 关断模式

在关断模式下，所有电路都被关闭，器件从 VIN 电源汲取的电流小于 1µA，同时 VOUT 与 VIN 和 CFLY 断开连接。SHDN 引脚的阈值约为 0.7V，当向 SHDN 引脚施加低电平时，器件进入关断模式。

3. 开环运行

当输入电压过低或输出电流过高时，LTC1983-3/LTC1983-5 将以开环模式运行，作为低输出阻抗逆变器，输出电压为 (V{OUT }=-left[V{IN }-left(I{OUT } cdot R{OUT }right)right])。

六、电容选择与设计要点

1. 电容类型选择

为了获得最佳性能，建议使用低 ESR 的陶瓷或钽电容作为 CIN 和 COUT，以减少噪声和纹波。不推荐使用铝电解电容，因为其等效串联电阻（ESR）较高。

2. 电容值选择

• CIN 和 COUT：电容值应不小于 4.7µF，增大 COUT 至 10µF 或更大可以减少输出电压纹波。
• 飞跨电容 CFLY：建议使用陶瓷电容，值在 0.1µF 至 4.7µF 之间。对于轻负载应用，可将 CFLY 减小至 0.01µF 至 0.047µF，以减少输出纹波，但会降低效率和最大输出电流。

  3. 电容其他特性考虑

  除了 ESR 和电容值，还需要考虑电容的温度稳定性、电压系数和频率特性等因素。例如，飞跨电容和输出电容应选用温度稳定性较好的 X5R 或更优的陶瓷电容。

七、输出纹波控制

1. 纹波产生原因

正常工作时，LTC1983 会在 VOUT 引脚产生电压纹波。低频纹波主要由于感测比较器的滞后和电荷泵启用/禁用电路的传播延迟引起，高频纹波主要由输出电容的 ESR 导致。

2. 纹波降低方法

• 增大 COUT 电容：使用 22µF 或更大的电容可以同时降低低频和高频纹波。
• 使用低 ESR 陶瓷电容：可最小化高频纹波，但对于低频纹波的改善需要选择高电容值。
• 电容组合使用：在 VOUT 上并联 10µF 至 22µF 的钽电容和 1µF 至 4.7µF 的陶瓷电容，可同时降低低频和高频纹波。
• 使用 RC 滤波器：可用于减少高频电压尖峰。
• 减小 CFLY 电容：在轻负载或高 VIN 应用中，使用较小的 CFLY 电容（0.01µF 至 0.047µF）可以减少输出纹波，但会降低最大输出电流和效率。

八、典型应用电路

1. -3V at 100mA DC/DC 转换器

输入电压范围为 3V 至 5.5V，输出电压为 -3V，最大输出电流可达 100mA。

2. 2.5V 到 -2.5V DC/DC 转换器

实现 2.5V 输入到 -2.5V 输出的转换。

3. 100mA 反相 DC/DC 转换器

输入电压范围为 2.5V 至 5.5V，输出电压为 -VIN。

4. 组合非稳压倍压器和稳压逆变器

通过特定的电路设计，实现倍压和反相稳压输出。

九、总结

LTC1983-3/LTC1983-5 反相电荷泵 DC/DC 转换器以其丰富的特性、广泛的应用场景和良好的性能表现，为电子工程师在电源设计方面提供了一个优秀的选择。在实际应用中，合理选择电容、控制输出纹波、优化电路板布局等方面都需要工程师仔细考虑，以充分发挥该器件的优势。大家在使用过程中有没有遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享交流。