探索LM2661/3/4评估板：CMOS电荷泵电压转换器的应用与设计

在电子设计领域，电压转换是一个关键环节。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的LM2661、LM2663和LM2664这三款CMOS电荷泵电压转换器，以及它们在评估板上的具体应用和设计要点。

文件下载：LM2661/3/4EVAL.pdf

一、LM2661/3/4简介

LM2661、LM2663和LM2664属于CMOS电荷泵电压转换器家族。它们利用两个小电容实现电压反转或电压倍增，避免了基于电感的转换器所带来的成本、尺寸和电磁干扰（EMI）问题。

各型号特点

• LM2661：有SOIC - 8和VSSOP - 8封装，在输入电压加倍配置下，仅需额外一个二极管，就能提供高达100mA的输出电流。典型效率在100mA输出时为88%，典型输出电阻为6.5Ω。关机模式下仅消耗500nA电源电流，工作时为120µA。内部振荡器频率为80kHz，输入电压范围是+2.5V至+5.5V，也能在不同配置下反转+1.5V至+5.5V的输入电压。
• LM2663：采用SOIC - 8封装，可将输入电压反转，提供高达200mA的输出电流。200mA输出时典型效率为86%，典型输出电阻为3.5Ω。关机时消耗10µA电源电流，工作时为300µA。内部振荡器频率为150kHz，输入电压范围是+1.5V至+5.5V，在不同配置下也能将+2.5V至+5.5V的输入电压加倍。
• LM2664：采用SOT23 - 6封装，将输入电压反转，提供高达40mA的输出电流。40mA输出时典型效率为91%，典型输出电阻为12Ω。关机时消耗1µA电源电流，工作时为220µA。振荡器频率为160kHz，输入电压范围是+1.8V至+5.5V。

这些转换器因其小尺寸和低轮廓，适用于手机、笔记本电脑、运算放大器电源、接口电源、医疗仪器、个人数字助理（PDA）和手持仪器等多种设备。我们不禁思考，如何根据不同设备的需求，精准选择合适的型号呢？

二、评估板上的配置与组件选择

LM2661的加倍配置

在评估板上，LM2661采用加倍配置，仅使用两个电容和一个二极管，还包含一个手动关机跳线J1。内部振荡器频率为80kHz，在加倍模式下，振荡器频率只能通过外部电容修改，不能由外部时钟驱动。肖特基二极管D1仅用于启动，但需能处理为输出电容充电所需的电流。此板选用了MBR0520LT1 20V、0.5A二极管。

电容选择至关重要，它决定了输出电压纹波和输出电阻。该电路选用了太诱（Taiyo - Yuden）的22µF陶瓷电容（型号EMK432BJ226MM），因其低等效串联电阻（ESR）以及稳定的温度和频率特性，可增强器件性能。不过，钽电容和其他陶瓷电容及不同电容值也可根据不同的性能、尺寸或成本要求进行选择。评估板上设置了通用焊盘，方便更换不同尺寸的电容。你在实际设计中，是否也会优先考虑低ESR的电容呢？

LM2663的反转配置

LM2663在评估板上配置为反相器，包含手动关机跳线J2，使用内部150kHz的振荡器频率。与LM2661一样，电容选择也很重要，由于该电路运行频率比LM2661高，可使用较小电容值。这里选用了太诱的10µF陶瓷电容（型号JMK316BJ106ML - T），也是因其低ESR和稳定特性。同样，可根据不同需求选择其他类型和尺寸的电容。

LM2664的反转配置

LM2664同样在评估板上用作反相器，有手动关机跳线J3。其频率固定为160kHz，不可调。该电路的输出电阻和输出电压纹波计算公式与前两者相同，所以电容选择依旧关键。选用了太诱的多层陶瓷片式3.3µF电容（型号LMK316BJ335ML - T），其低ESR（测量值约25mΩ）和小尺寸（1206）体现了LM2664的高性能和电路的小尺寸。在40mA负载下，输出电压纹波峰峰值小于75mV。当然，也可根据不同性能和/或尺寸要求选择其他类型和尺寸的电容。

输出电阻和电压纹波公式

输出电阻和电压纹波的计算公式如下： [R{OUT } cong 2 R{SW}+frac{2}{f{OSC} × C{1}}+4 ESR{C 1}+ESR{C 2}] 其中，(R{SW})是内部开关导通电阻之和，LM2661的(R{sw})典型值为1.4Ω，LM2663为0.9Ω，LM2664为4Ω。 [V{RIPPLE }=frac{I{L}}{f{OSC } × C{2}}+2 × I{L} × ESR{C 2}] 式中，(C_{2})始终是电路的输出电容。通过这些公式，我们可以清晰地看到电容值和ESR对输出电阻和输出电压纹波的影响。在实际设计中，你会如何运用这些公式来优化电路性能呢？

三、元件列表和相关信息

评估板上所使用的产品列表如下表所示：	Designator	Part Type	Manufacturer and Model No	Footprint	Description
U1	LM2661	Texas Instruments	VSSOP - 8	Charge - pump voltage converter
D1	Diode	Motorola (MBR0520LT1)	SOD123	20 V, 0.5A Start - up diode
C1	22µF (EMK432BJ226MM)	Taiyo - Yuden	1206	Low ESR charge - pump capacitor, MLCC
C2	22µF (EMK432BJ226MM)	Taiyo - Yuden	1206	Low ESR charge - pump capacitor, MLCC
U2	LM2663	Texas Instruments	SO - 8	Charge - pump voltage converter
C3	10µF (JMK316BJ106ML - T)	Taiyo - Yuden	1206	Low ESR charge - pump capacitor, MLCC
C4	10µF (JMK316BJ106ML - T)	Taiyo - Yuden	1206	Low ESR charge - pump capacitor, MLCC
U3	LM2664	Texas Instruments	SOT23 - 6	Charge - pump voltage converter
C5	3.3µF (LMK316BJ335ML - T)	Taiyo Yuden	1206	Low ESR charge - pump capacitor, MLCC
C6	3.3µF (LMK316BJ335ML - T)	Taiyo Yuden	1206	Low ESR charge - pump capacitor, MLCC
VIN3, J1, J2, VIN1, VIN2, J3, J4	Headers (36 posts per strip)	Amphenol (842 - 800 - 272 - 015) Newark stock # 87F6830	0.1" spacing	Connectors for input voltage, output voltage, and ON/OFF jumpers
J1, J2, J3	Shunts	Circuit Assembly Corp. (CA - 02SJC - B) Newark stock # 90F9279		Shunts for ON/OFF jumpers, shorts 2 pins, 3 shunts used per board

同时，还给出了各制造商的联系信息，方便在设计过程中获取更多技术支持。

四、开关电容家族产品对比

文档中还列出了开关电容家族的相关产品信息，包括产品功能、输出电阻、输出电流、输入电压范围、振荡器频率、静态电流、关机控制、频率同步和封装等参数。通过对比这些参数，我们可以更全面地了解不同产品的特点，从而为设计选择最合适的器件。

五、重要注意事项

德州仪器对其半导体产品和服务保留进行修改、改进和停产的权利。买家在下单前应获取最新相关信息，并核实其时效性和完整性。TI对其组件的性能提供符合销售条款和条件的保修，但并非对每个组件的所有参数都进行测试。TI不承担买家产品应用协助或设计的责任，买家需自行负责产品和应用，并提供足够的设计和操作保障措施。

此外，在使用TI组件时，还需注意知识产权许可、产品复制、转售声明等问题。对于安全关键应用、医疗设备、军事/航空航天应用和汽车应用等，也有相应的特殊规定和要求。在实际项目中，你是如何确保遵守这些规定的呢？

综上所述，LM2661/3/4评估板为我们展示了CMOS电荷泵电压转换器的强大功能和灵活应用。通过合理选择组件和优化电路设计，我们可以充分发挥这些转换器的优势，满足不同电子设备的电压转换需求。希望本文能为电子工程师们在相关设计中提供有价值的参考。