深入剖析 LT1054/LT1054L 開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電壓轉(zhuǎn)換器是不可或缺的關(guān)鍵組件。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討 LT1054/LT1054L 開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器，它在眾多電子設(shè)備中都有著廣泛的應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

LT1054 是一款單芯片雙極型開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器兼調(diào)節(jié)器。與以往的轉(zhuǎn)換器相比，它能提供更高的輸出電流，同時(shí)顯著降低電壓損耗。其自適應(yīng)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方案可在較寬的輸出電流范圍內(nèi)優(yōu)化效率，在 100mA 輸出電流下，總電壓損耗通常僅為 1.1V，且在 3.5V 至 15V 的全電源電壓范圍內(nèi)都能保持這一特性，靜態(tài)電流一般為 2.5mA。此外，它還具備以往開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器所沒(méi)有的調(diào)節(jié)功能。

二、產(chǎn)品特性

2.1 輸出電流

• LT1054 可提供 100mA 的輸出電流，而 LT1054L 則能輸出 125mA。不同的輸出電流能力能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

  2.2 低損耗

  在 100mA 時(shí)，電壓損耗僅為 1.1V，這一特性使得它在能量轉(zhuǎn)換效率方面表現(xiàn)出色，能有效減少能量的浪費(fèi)。

  2.3 工作范圍

• LT1054 的工作范圍為 3.5V 至 15V，LT1054L 為 3.5V 至 7V。合理的工作范圍設(shè)計(jì)，讓它能適應(yīng)多種電源環(huán)境。

  2.4 外部控制功能

  具備外部關(guān)斷和外部振蕩器同步功能。外部關(guān)斷功能可在不需要設(shè)備工作時(shí)，降低功耗；外部振蕩器同步功能則能讓設(shè)備與外部時(shí)鐘同步，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

  2.5 引腳兼容性

  與 LTC1044/ICL7660 引腳兼容，這為工程師在進(jìn)行電路升級(jí)或替換時(shí)提供了便利，無(wú)需對(duì)電路進(jìn)行大規(guī)模修改。

  2.6 封裝形式

  提供 SW16 和 SO - 8 等多種封裝形式，方便不同的 PCB 布局需求。

三、絕對(duì)最大額定值

3.1 電源電壓

• LT1054 最大為 16V，在使用無(wú)調(diào)節(jié)電路時(shí)適用該值；若采用調(diào)節(jié)模式電路且 (V_{OUT } ≤15V)，在引腳 5（S 封裝的引腳 11）時(shí)，該值可提高到 20V。
• LT1054L 最大為 7V。在實(shí)際使用中，必須嚴(yán)格遵守這些電壓限制，否則可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

  3.2 工作溫度范圍

  不同型號(hào)的工作結(jié)溫范圍有所不同，如 LT1054C/LT1054LC 為 0°C 至 100°C，LT1054I 為 - 40°C 至 100°C 等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境選擇合適的型號(hào)，以確保設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

四、電氣特性

4.1 電源電流

在無(wú)負(fù)載（(I_{LOAD}=0mA)）時(shí)，不同輸入電壓和型號(hào)的電源電流有所差異。例如，LT1054 在輸入電壓為 3.5V 至 15V 時(shí)，典型值為 2.5mA；LT1054L 在輸入電壓為 3.5V 時(shí)，典型值為 2.5mA，7V 時(shí)為 3.0mA。了解這些數(shù)據(jù)有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)合理計(jì)算功耗。

4.2 電壓損耗

在不同的輸出電流下，如 10mA、100mA 和 125mA（LT1054L），以及特定的電容（(C{IN}=C{OUT}=100μF) 鉭電容）條件下，電壓損耗有相應(yīng)的數(shù)值。同時(shí)需要注意，在其他配置下電壓損耗可能會(huì)更高。這對(duì)于評(píng)估設(shè)備的性能和效率至關(guān)重要。

4.3 振蕩器頻率

LT1054 在 3.5V ≤ (V{IN}) ≤ 15V 時(shí)，頻率范圍為 15kHz 至 40kHz；LT1054L 在 3.5V ≤ (V{IN}) ≤ 7V 時(shí)，頻率范圍為 15kHz 至 35kHz，典型值均為 25kHz。振蕩器頻率會(huì)影響設(shè)備的性能，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整。

4.4 參考電壓

在 (I{REF}=60μA)，(T{J}=25°C) 時(shí)，參考電壓典型值為 2.5V，范圍在 2.35V 至 2.65V 之間。參考電壓的穩(wěn)定性對(duì)于實(shí)現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)至關(guān)重要。

五、引腳功能

5.1 FB/SHDN（引腳 1）

具有反饋和關(guān)斷兩種功能。當(dāng)引腳 1 電壓低于關(guān)斷閾值（≈0.45V）時(shí)，設(shè)備進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)參考/調(diào)節(jié)器關(guān)閉，開(kāi)關(guān)停止工作。在正常（無(wú)調(diào)節(jié)）操作中，外部門(mén)關(guān)閉后設(shè)備會(huì)重新啟動(dòng)。在使用調(diào)節(jié)功能的電路中，外部電阻分壓器可提供足夠的下拉作用，使設(shè)備在輸出電容完全放電前保持關(guān)斷狀態(tài)。若需要在輸出電容未完全放電時(shí)啟動(dòng)設(shè)備，則需向引腳 1 施加一個(gè)重啟脈沖。此外，該引腳還是誤差放大器的反相輸入，可用于獲得穩(wěn)定的輸出電壓。

5.2 (CAP^{+} / CAP^{-})（引腳 2/引腳 4）

引腳 2 是輸入電容的正極，交替在 (V^{+}) 和地之間驅(qū)動(dòng)；引腳 4 是輸入電容的負(fù)極，交替在地和 (V_{OUT}) 之間驅(qū)動(dòng)。在所有情況下，開(kāi)關(guān)中的電流流動(dòng)都是單向的，這是雙極型開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)。

5.3 (V_{OUT})（引腳 5）

作為輸出引腳，同時(shí)還連接到設(shè)備的襯底。在 LT1054 電路中，必須特別注意避免該引腳相對(duì)于其他引腳為正，否則可能會(huì)導(dǎo)致襯底二極管正向偏置，從而使設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)。當(dāng) LT1054 驅(qū)動(dòng)的輸出負(fù)載參考其正電源時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)這種情況。為避免啟動(dòng)問(wèn)題，可添加一個(gè)外部晶體管，如 2N2222 或 2N2219。

5.4 (V_{REF})（引腳 6）

提供 2.5V 的參考點(diǎn)，用于基于 LT1054 的調(diào)節(jié)器電路。參考電壓的溫度系數(shù)經(jīng)過(guò)調(diào)整，使得調(diào)節(jié)輸出電壓的溫度系數(shù)接近零。參考輸出電流應(yīng)限制在約 60μA 左右。該引腳還可作為需要同步的 LT1054 電路的上拉引腳。

5.5 OSC（引腳 7）

可用于提高或降低振蕩器頻率，或使設(shè)備與外部時(shí)鐘同步。內(nèi)部引腳 7 連接到振蕩器定時(shí)電容（(C_{t} ≈150 pF)），通過(guò)電流源 ±7A 交替充電和放電，使占空比約為 50%?？赏ㄟ^(guò)添加外部電容來(lái)調(diào)整頻率，也可通過(guò)添加外部電阻上拉和使用外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。

5.6 (V^{+})（引腳 8）

作為輸入電源，LT1054 交替將 (C{IN}) 充電到輸入電壓，然后將電荷轉(zhuǎn)移到 (C{OUT})。開(kāi)關(guān)以振蕩器頻率進(jìn)行切換。在 (C{IN}) 充電時(shí)，峰值電源電流約為輸出電流的 2.2 倍；在 (C{IN}) 向 (C_{OUT}) 輸送電荷時(shí)，電源電流降至約為輸出電流的 0.2 倍。建議使用至少 2μF 的輸入電源旁路電容，以提供部分峰值輸入電流并平均從電源汲取的電流。

六、應(yīng)用信息

6.1 工作原理

LT1054 的工作原理類(lèi)似于基本的開(kāi)關(guān)電容構(gòu)建模塊。當(dāng)開(kāi)關(guān)在不同位置切換時(shí)，電容充電和放電，實(shí)現(xiàn)電荷從源端到輸出端的轉(zhuǎn)移。通過(guò)推導(dǎo)可得電荷轉(zhuǎn)移量與電流的關(guān)系，進(jìn)而得出開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的等效電阻。這種簡(jiǎn)化電路有助于我們理解電壓損耗與頻率的關(guān)系，LT1054 的振蕩器設(shè)計(jì)在電壓損耗最小的頻率范圍內(nèi)工作。

6.2 調(diào)節(jié)功能

通過(guò) LT1054 的參考和誤差放大器，結(jié)合外部電阻分壓器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。在計(jì)算電阻值時(shí)，R1 應(yīng)選擇 20k 或更大，R2 應(yīng)在 100k 至 300k 范圍內(nèi)。對(duì)于 S8 封裝的芯片，在調(diào)節(jié)模式下，為保證在高溫結(jié)溫下正常工作，(C{IN}) 和 (C{OUT}) 的標(biāo)稱(chēng)值應(yīng)大致相等。

6.3 電容選擇

在無(wú)調(diào)節(jié)電路中，(C{IN}) 和 (C{OUT}) 的標(biāo)稱(chēng)值應(yīng)相等。對(duì)于調(diào)節(jié)電路，要根據(jù)調(diào)節(jié)部分的要求選擇。為減少高電流下的電壓損耗，應(yīng)使用優(yōu)質(zhì)、低 ESR 的電容，如固體鉭電容。由于開(kāi)關(guān)電流約為輸出電流的兩倍，且在充電和放電周期都會(huì)產(chǎn)生損耗，因此 (C_{IN}) 的 ESR 影響會(huì)被放大四倍。為降低成本，可將小容量鉭電容與大容量鋁電解電容并聯(lián)使用。

6.4 輸出紋波

輸出紋波的峰 - 峰值得大小取決于輸出電容和輸出電流?？赏ㄟ^(guò)公式 (dV=frac{I{OUT }}{2 fC{OUT }}) 進(jìn)行近似計(jì)算。對(duì)于具有顯著 ESR 的輸出電容，還需考慮開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓階躍，其值約為 ((2 I{OUT })) ( (C{OUT}) 的 ESR)。

6.5 功率耗散

LT1054 電路的功率耗散必須限制在使器件結(jié)溫不超過(guò)最大結(jié)溫額定值?？偣β屎纳⒂砷_(kāi)關(guān)電壓降引起的功率損耗和驅(qū)動(dòng)電流損耗兩部分組成。可通過(guò)公式 (P approxleft(V{IN}-left|V{OUT }right|right)left(I{OUT }right)+left(V{IN }right)left(I{OUT }right)(0.2)) 進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于大輸入/輸出壓差的情況，可通過(guò)在 (C{IN}) 串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)降低 LT1054 的功率耗散。

七、典型應(yīng)用

7.1 基本電壓反相器

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電壓反相功能，可用于需要負(fù)電壓的電路中。

7.2 基本電壓反相器/調(diào)節(jié)器

結(jié)合了電壓反相和調(diào)節(jié)功能，能提供穩(wěn)定的負(fù)電壓輸出。

7.3 負(fù)電壓倍增器

可將輸入電壓反向并倍增，適用于需要較高負(fù)電壓的應(yīng)用場(chǎng)景。

7.4 正電壓倍增器

將輸入正電壓進(jìn)行倍增，提高輸出電壓值。

7.5 其他應(yīng)用

還包括雙極性電源倍增器、5V 到 ±12V 轉(zhuǎn)換器、應(yīng)變計(jì)電橋信號(hào)調(diào)理器、3.5V 到 5V 調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié) 200mA 12V 到 - 5V 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字可編程負(fù)電源等。這些應(yīng)用展示了 LT1054/LT1054L 在不同電路中的靈活性和實(shí)用性。

總之，LT1054/LT1054L 開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器憑借其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在電子設(shè)計(jì)中具有重要的地位。工程師在使用時(shí)，需充分了解其各項(xiàng)參數(shù)和特性，結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以發(fā)揮其最佳性能。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)一些特殊的情況呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。