LTC1502-3.3：單節(jié)電池至3.3V穩(wěn)壓電荷泵DC/DC 轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，如何高效地將單節(jié)電池的電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3V輸出，是工程師們常常面臨的挑戰(zhàn)。LTC1502-3.3作為一款出色的單節(jié)電池至3.3V穩(wěn)壓電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器，為這一問題提供了優(yōu)秀的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

文件下載：LTC1502-3.3.pdf

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

寬輸入電壓范圍與低啟動(dòng)電壓

LTC1502-3.3的輸入電壓范圍為0.9V至1.8V，并且保證在0.9V時(shí)能夠啟動(dòng)。這使得它可以適配多種單節(jié)電池，如鎳鎘電池或堿性電池，為不同的應(yīng)用場景提供了廣泛的選擇。

穩(wěn)定的輸出電壓與可觀的輸出電流

它能夠提供穩(wěn)定的3.3V輸出電壓，誤差在±4%以內(nèi)。在輸入電壓 (V_{IN} ≥1V) 時(shí)，輸出電流可達(dá)10mA，能夠滿足許多小型電子設(shè)備的供電需求。

無電感設(shè)計(jì)與低功耗特性

該轉(zhuǎn)換器無需電感，僅需五個(gè)小型外部電容器，大大減少了電路板的占用空間。同時(shí)，其低工作電流為40μA，低關(guān)斷電流為5μA，非常適合對空間和功耗要求較高的單節(jié)電池應(yīng)用。

多重保護(hù)機(jī)制

具備短路和過溫保護(hù)功能，當(dāng)輸出短路時(shí)，輸出短路電流被限制在20mA以下，可承受無限期的輸出短路而不損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

LTC1502-3.3的應(yīng)用場景十分豐富，包括尋呼機(jī)電池備份電源、便攜式電子設(shè)備、手持式醫(yī)療儀器以及血糖儀等。在這些應(yīng)用中，它的小尺寸、低功耗和穩(wěn)定輸出的特點(diǎn)得到了充分發(fā)揮。

技術(shù)原理剖析

電荷泵 工作原理

LTC1502-3.3采用四倍電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器，由兩個(gè)電壓倍增電荷泵（CP1和CP2）串聯(lián)組成。CP1將輸入電壓 (V{IN}) 翻倍，其輸出電壓存儲(chǔ)在外部電容器C2上，C2又作為CP2的輸入，CP2的輸出存儲(chǔ)在輸出電容器 (C{out}) 上。每個(gè)倍增器由兩相時(shí)鐘控制，在時(shí)鐘的第一階段，飛跨電容器C1和C3被充電到各自的輸入電壓；在第二階段，充電后的飛跨電容器疊加在輸入電壓上，并通過內(nèi)部開關(guān)放電到各自的輸出端。

穩(wěn)壓機(jī)制

通過將分壓后的輸出電壓與固定電壓參考進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓高于由COMP1設(shè)定的期望穩(wěn)壓點(diǎn)時(shí)，電荷泵時(shí)鐘被禁用；當(dāng)輸出電壓降至COMP1的下限觸發(fā)點(diǎn)以下時(shí)，電荷泵時(shí)鐘重新開啟，直到 (V_{OUT}) 恢復(fù)到穩(wěn)壓范圍。

增強(qiáng)啟動(dòng)功能

COMP2電路提供了增強(qiáng)的啟動(dòng)能力。它將分壓后的C2電壓與輸入電壓 (V{IN}) 進(jìn)行比較，當(dāng)分壓后的C2電壓低于 (V{IN}) 時(shí)，禁用輸出電荷泵CP2，使CP2輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，直到C2上的電壓升高到 (V_{IN}) 以上。這樣可以在輸出連接負(fù)載之前產(chǎn)生更高的內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)電壓，從而使器件能夠在低電壓下以較大的輸出電流負(fù)載啟動(dòng)。

關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電容選擇

為了獲得最佳性能，建議使用低ESR電容器用于 (C{IN})、C2和 (C{OUT})，以減少噪聲和紋波。這些電容器可以選擇陶瓷或鉭電容，容量應(yīng)不小于10μF。對于飛跨電容器C1和C3，建議使用陶瓷電容，容量在0.47μF至2.2μF之間，在低輸出電流應(yīng)用中可以使用較小的值。

輸出紋波控制

正常工作時(shí)，LTC1502-3.3的 (V_{OUT}) 引腳會(huì)產(chǎn)生電壓紋波，這是穩(wěn)壓所必需的。紋波電壓的大小取決于多個(gè)因素，如輸入電壓、輸出電流負(fù)載、輸出電容大小和ESR等。為了降低輸出紋波，可以采用以下方法：

使用更大容量的 (C_{OUT}) 電容器（22μF或更大），可以同時(shí)降低低頻和高頻紋波。
使用低ESR陶瓷輸出電容器可以最小化高頻紋波，但如果要降低低頻紋波，需要選擇高電容值的電容器。
可以在 (V_{OUT}) 上并聯(lián)一個(gè)10μF至22μF的鉭電容和一個(gè)1μF至3.3μF的陶瓷電容，以同時(shí)降低低頻和高頻紋波。
使用RC濾波器來減少高頻電壓尖峰。

關(guān)斷功能實(shí)現(xiàn)

通過在C1–/SHDN引腳使用外部下拉器件來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷功能。推薦使用帶有電阻限流的開漏FET作為下拉器件，該器件必須能夠吸收高達(dá)300μA的電流，并將電壓拉低至0.2V以下，以確保正常的關(guān)斷操作。當(dāng)下拉器件禁用時(shí)，內(nèi)部上拉電流會(huì)將C1–/SHDN引腳拉高，使器件恢復(fù)到工作模式。關(guān)斷功能可以用于在對噪聲敏感的時(shí)間段內(nèi)防止電荷泵開關(guān)，消除輸出開關(guān)噪聲。

封裝與相關(guān)參數(shù)

封裝形式

LTC1502-3.3有8引腳MSOP和SO封裝可供選擇，方便不同的電路板布局需求。

絕對最大額定值與工作溫度范圍

絕對最大額定值：(V{IN}) 至GND為–0.3V至2V，(V{OUT}) 至GND為–0.3V至5V，所有其他引腳至GND為–0.3V至5V，(V_{OUT}) 短路持續(xù)時(shí)間為無限期，存儲(chǔ)溫度范圍為–65°C至150°C。
工作溫度范圍：商業(yè)級(jí)為0°C至70°C，擴(kuò)展商業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)為–40°C至85°C，引腳焊接溫度（10秒）為300°C。

電氣特性

在 (T{A}=25^{circ}C)，(V{IN}=0.9V) 至1.8V，(C1 = C3 = 1mu F)，(C{IN}=C2 = C{OUT}=10mu F) 的條件下，各項(xiàng)電氣參數(shù)表現(xiàn)良好，如輸入工作電流典型值為40μA，關(guān)斷電流典型值為5μA，輸出紋波在 (V{IN}=1.25V)、(I{OUT}=10mA) 時(shí)典型值為50mV峰 - 峰值，效率在 (V{IN}=1V)、(I{OUT}=10mA) 時(shí)為77%等。