深入解析LTC1261L開關(guān)電容穩(wěn)壓式電壓反相器

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，常常會遇到需要從單路正電源獲得穩(wěn)定負(fù)電壓的情況。而Linear Technology公司的LTC1261L開關(guān)電容穩(wěn)壓式電壓反相器，就是解決這類問題的一個出色選擇。今天，我們就來深入了解一下這款器件。

文件下載：LTC1261L.pdf

一、特性亮點

1. 電源與輸出特性

• 單正電源產(chǎn)生負(fù)電壓：LTC1261L能夠從單路2.7V - 5.25V的正電源產(chǎn)生可調(diào)的 - 1.23V至 - 5V負(fù)輸出電壓。像LTC1261L - 4/LTC1261L - 4.5則需要4.5V - 5.25V的電源，分別提供 - 4V和 - 4.5V的固定輸出電壓。
• 輸出調(diào)節(jié)精準(zhǔn)：輸出調(diào)節(jié)精度可達(dá)±4.5%，能為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。
• 低功耗設(shè)計：工作時靜態(tài)電流典型值為650μA，進(jìn)入關(guān)機(jī)模式后，電源電流可降至5μA，非常適合電池供電系統(tǒng)。

  2. 其他特性

• 輸出電流能力：可提供高達(dá)20mA的輸出電流，能滿足不少應(yīng)用場景的需求。
• 外部元件少：僅需三個或四個外部電容，簡化了電路設(shè)計。
• 封裝形式多樣：提供MS8和SO - 8兩種封裝，方便不同的PCB布局需求。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

• GaAs FET偏置發(fā)生器：為GaAs FET提供穩(wěn)定的負(fù)偏置電壓，保證其正常工作。
• 負(fù)電源發(fā)生器：在需要負(fù)電源的電路中發(fā)揮作用。
• 電池供電系統(tǒng)：低功耗特性使其在電池供電系統(tǒng)中具有很大優(yōu)勢。
• 單電源應(yīng)用：可將單正電源轉(zhuǎn)換為負(fù)電源，滿足單電源系統(tǒng)中對負(fù)電壓的需求。

三、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了 - 4V發(fā)生器帶電源有效指示的典型應(yīng)用電路。通過該電路，我們可以看到如何利用LTC1261L實現(xiàn)從5V正電源產(chǎn)生 - 4V負(fù)電壓的功能。電路中包含了必要的外部電容，如0.1μF的飛跨電容C1、3.3μF的輸出旁路電容C4等。

四、電氣特性

1. 電源電壓和參考電壓

• 不同型號的LTC1261L對電源電壓的要求有所不同。例如，LTC1261LCMS8/LTC1261LCS8的電源電壓范圍為2.7V - 5.25V，而LTC1261LCMS8 - 4/LTC1261LCS8 - 4等型號則要求4.35V - 5.25V的電源電壓。
• 內(nèi)部參考電壓為1.23V。

  2. 電流和頻率參數(shù)

• 靜態(tài)電流方面，在VCC = 5.25V、無負(fù)載且SHDN引腳懸空時，典型值為650μA；當(dāng)SHDN引腳接VCC時，電流降至5μA。
• 內(nèi)部振蕩器頻率在VCC = 5V、VOUT = - 4V時為650kHz。

  3. 輸出調(diào)節(jié)和短路電流

• 對于不同的電源電壓和輸出電流范圍，輸出調(diào)節(jié)都能保持在一定精度范圍內(nèi)。例如在2.70V ≤ VCC ≤ 5.25V、0mA ≤ IOUT ≤ 10mA的條件下，輸出電壓能穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。
• 輸出短路電流在VCC = 5.25V時，典型值為100mA，最大值為220mA。

工程師們在實際設(shè)計中，一定要根據(jù)這些電氣特性合理選擇器件的工作條件，以確保電路的穩(wěn)定運行。大家思考一下，在你的設(shè)計中，這些電氣特性會對你的電路性能產(chǎn)生哪些具體影響呢？

五、工作原理

1. 電荷泵核心

LTC1261L的核心是電荷泵。它通過內(nèi)部的650kHz時鐘驅(qū)動，先將飛跨電容C1充電至電源電壓VCC，然后將C1的頂部連接到地，使得C1的底部產(chǎn)生負(fù)電壓。接著將C1上的電荷轉(zhuǎn)移到輸出旁路電容COUT上，從而實現(xiàn)負(fù)電壓輸出。

2. 輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓由COMP1進(jìn)行監(jiān)控。它將輸出電壓分壓后與內(nèi)部1.23V參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)輸出低于設(shè)定值時，電荷泵以50%的占空比運行；當(dāng)輸出接近設(shè)定值時，COMP1會根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整電荷泵的工作狀態(tài)，以調(diào)節(jié)輸出電壓。

3. REG輸出指示

COMP2監(jiān)控ADJ引腳的分壓信號，當(dāng)輸出電壓在設(shè)定值的5%范圍內(nèi)時，COMP2輸出高電平，使REG輸出晶體管導(dǎo)通，REG引腳輸出低電平，用于指示輸出電壓處于正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

了解這些工作原理有助于我們更好地理解器件的性能和特點，同時也能在遇到問題時進(jìn)行準(zhǔn)確的故障排查。當(dāng)REG引腳不能按預(yù)期工作時，我們就可以結(jié)合工作原理來分析可能出現(xiàn)的問題，大家覺得呢？

六、設(shè)計要點

1. 輸出紋波

• 紋波產(chǎn)生原因：輸出紋波主要來自兩個方面，一是輸出電容在時鐘周期之間的電壓下降，二是調(diào)節(jié)環(huán)路的頻率響應(yīng)。
• 紋波計算和解決方法：以15mA負(fù)載和3.3μF輸出電容為例，可計算出電壓下降導(dǎo)致的紋波約為7mV。為了減小紋波，可使用10μF或更大的輸出電容，還可以在ADJ（固定版本為COMP）引腳連接一個100pF的電容到地，以補(bǔ)償外部寄生電容，增加調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬。大家在實際設(shè)計中，有沒有遇到過紋波過大的問題，是如何解決的呢？

  2. 輸出濾波

  如果需要極低的輸出紋波（<5mV），可在輸出端使用RC或LC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波。例如，使用10Ω的串聯(lián)輸出電阻和3.3μF的電容，可將輸出紋波降至3mV以下。

  3. 電容選擇

• 電容尺寸：VCC和OUT引腳需要旁路電容到地。輸入電容應(yīng)至少是飛跨電容的十倍，且盡量選擇陶瓷電容。飛跨電容一般選擇0.1μF，在特定應(yīng)用中可根據(jù)最大負(fù)載電流和輸出紋波要求進(jìn)行調(diào)整。輸出電容在對紋波不敏感的應(yīng)用中可小至1μF，增大輸出電容可降低紋波，但會增加開機(jī)時間。
• 電容ESR：輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）過大會影響調(diào)節(jié)環(huán)路，導(dǎo)致輸出電壓異常?？稍诖筝敵鲭娙萆喜⒙?lián)一個0.1μF的陶瓷電容來解決這個問題。而飛跨電容的ESR在一定范圍內(nèi)可降低峰值電流，但過大的ESR會影響輸出電流能力。

  4. 電阻選擇

  固定輸出電壓版本的LTC1261L無需外部電阻。對于可調(diào)版本，需要使用電阻分壓器將輸出電壓分壓后在ADJ引腳得到1.23V的電壓。連接電阻時要注意參考電壓是相對于VOUT的。

七、相關(guān)產(chǎn)品

文檔還列舉了一些相關(guān)產(chǎn)品，如LT1121、LTC1429等。這些產(chǎn)品在功能和應(yīng)用上與LTC1261L有一定的關(guān)聯(lián)，工程師們在設(shè)計時可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

總之，LTC1261L是一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活的開關(guān)電容穩(wěn)壓式電壓反相器。通過深入了解它的特性、工作原理和設(shè)計要點，我們可以在實際應(yīng)用中更好地發(fā)揮它的優(yōu)勢，設(shè)計出更穩(wěn)定、高效的電路。大家在使用LTC1261L或類似器件時，還有哪些經(jīng)驗或問題，歡迎在評論區(qū)分享交流。