LTC1550L/LTC1551L：低噪聲開關(guān)電容穩(wěn)壓電壓逆變器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。今天我們要深入探討的是 Linear Technology 公司推出的 LTC1550L/LTC1551L 低噪聲開關(guān)電容穩(wěn)壓電壓逆變器，它在許多應(yīng)用場(chǎng)景中都展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

電源與輸出特性

LTC1550L/LTC1551L 能夠通過(guò)單路正電源產(chǎn)生穩(wěn)壓負(fù)電壓，輸出紋波極低，典型值小于 (1 mV_{P - P})。其電荷泵頻率高達(dá) 900kHz，這一高頻特性不僅有助于避免干擾便攜式射頻系統(tǒng)常用的 400kHz - 600kHz 中頻頻段，還能減小所需外部電容的尺寸，僅需使用 0.1μF 的電荷泵電容。而且，整個(gè)電路僅需要四個(gè)外部電容，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

輸出電壓與電流

該系列產(chǎn)品具有固定的 -4.1V、 -2.5V、 -2V 輸出電壓版本，同時(shí)也有可調(diào)輸出電壓的選項(xiàng)，滿足不同的應(yīng)用需求。在輸出電流方面，根據(jù) (V{CC}) 到 (V{OUT}) 的范圍，最大可提供 20mA 的輸出電流。并且，在不同的線路、負(fù)載和溫度條件下，輸出穩(wěn)壓精度能達(dá)到 2.5%，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。

低功耗模式

產(chǎn)品具備關(guān)機(jī)模式，在該模式下，電源電流可降至小于 1μA，有效降低了功耗，延長(zhǎng)了電池供電系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間。

封裝形式

LTC1550L/LTC1551L 提供了多種封裝形式，包括 8 引腳的 MSOP、8 引腳的窄體 SO 和 16 引腳的窄體 SSOP，方便工程師根據(jù)實(shí)際的 PCB 布局和空間要求進(jìn)行選擇。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

整體架構(gòu)

LTC1550L/LTC1551L 主要由兩個(gè)主要模塊組成：反相電荷泵和負(fù)線性穩(wěn)壓器。電荷泵利用兩個(gè)外部電容 (C1) 和 (C_{CP}) 在 (CPOUT) 端產(chǎn)生負(fù)電壓，而負(fù)線性穩(wěn)壓器則對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理，確保輸出的穩(wěn)定性和低紋波。

電荷泵工作原理

電荷泵通過(guò)內(nèi)部 900kHz 時(shí)鐘的交替相位對(duì) (C1) 進(jìn)行充電和放電操作。初始時(shí)，(C1) 通過(guò)開關(guān) (S1) 和 (S3) 充電至 (V{CC})；當(dāng)時(shí)鐘相位改變時(shí)，(S1) 和 (S3) 斷開，(S2) 和 (S4) 閉合，將 (C1) 的正極接地，使得 (C1) 的負(fù)極電壓低于地電位，電荷通過(guò) (S4) 轉(zhuǎn)移到 (C{CP}) 上。隨著這個(gè)循環(huán)的不斷重復(fù)，負(fù)電壓的幅值逐漸接近 (V_{CC})。

線性穩(wěn)壓器工作原理

(CPOUT) 端的負(fù)電壓作為負(fù)線性穩(wěn)壓器模塊的輸入。該模塊由一個(gè) N 溝道 MOSFET 通斷器件和一個(gè)反饋放大器組成。反饋放大器會(huì)監(jiān)測(cè)輸出電壓，并將其與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，從而調(diào)整 MOSFET 的導(dǎo)通狀態(tài)，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。對(duì)于固定電壓版本，輸出電壓由一對(duì)內(nèi)部分壓電阻設(shè)定；對(duì)于可調(diào)版本，則通過(guò)外部電阻分壓器來(lái)設(shè)置輸出電壓。

關(guān)鍵參數(shù)與性能指標(biāo)

絕對(duì)最大額定值

在使用 LTC1550L/LTC1551L 時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值。電源電壓最大為 5.5V，總電壓 (V{cc}) 最大為 10.8V，輸入電壓（SHDN 引腳）范圍為 -0.3V 到 ((V{cc} + 0.3V))，輸入電壓（REG 引腳）范圍為 -0.3V 到 6V，輸出短路持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為 30 秒。此外，不同的溫度范圍也有相應(yīng)的限制，如商業(yè)溫度范圍為 0°C 到 70°C，工業(yè)溫度范圍為 -40°C 到 85°C 等。

電氣特性

在電氣特性方面，不同版本的產(chǎn)品對(duì)電源電壓有不同的要求，例如可調(diào)版本和固定 -2V 版本的電源電壓范圍為 2.7V 到 5.25V，固定 -2.5V 版本為 3.05V 到 5.25V，固定 -4.1V 版本為 4.5V 到 5.25V。內(nèi)部振蕩器頻率典型值為 900kHz，REG 輸出低電壓在特定條件下最大為 0.8V，REG 灌電流在特定條件下為 4mA 到 10mA 等。

典型性能特性

通過(guò)一系列的典型性能特性曲線，我們可以更直觀地了解產(chǎn)品的性能。例如，振蕩器頻率隨溫度的變化曲線顯示了在不同溫度下振蕩器頻率的穩(wěn)定性；電源電流隨溫度的變化曲線反映了產(chǎn)品在不同溫度下的功耗情況；最小所需 (V{cc}) 與 (V{out}) 和 (I_{OUT}) 的關(guān)系曲線則幫助我們確定在不同輸出電壓和電流要求下所需的最小電源電壓。

引腳功能詳解

SHDN 引腳

SHDN 引腳為關(guān)機(jī)引腳，具有 TTL 兼容性。對(duì)于 LTC1550L，該引腳為低電平有效；對(duì)于 LTC1551L，該引腳為高電平有效。當(dāng)該引腳處于相應(yīng)的有效電平時(shí)，芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，電荷泵停止工作，輸出電壓降至 0V，靜態(tài)電流典型值降至 0.2μA。需要注意的是，LTC1550L 的 SHDN 引腳為高阻抗輸入，無(wú)內(nèi)部上拉電阻，需要用戶提供上拉電阻或電流源；而 LTC1551L 的 SHDN 引腳有一個(gè)典型值為 5μA 的內(nèi)部下拉電阻，可使芯片默認(rèn)處于正常工作模式。

(V_{CC}) 引腳

(V{CC}) 為電源引腳，需要輸入 2.7V 到 5.25V 的電壓。不同的輸出電壓和輸出負(fù)載電流組合可能對(duì)輸入電壓有額外的要求，具體可參考電氣特性表和典型性能特性曲線。為了減小輸出的噪聲和紋波，(V{CC}) 必須通過(guò)至少 0.1μF 的電容直接旁路到 PGND（8 引腳封裝為 GND），并且建議使用 1μF 或更大的低 ESR 旁路電容，推薦使用表面貼裝陶瓷電容。

(C1^{+}) 和 (C1^{-}) 引腳

(C1^{+}) 和 (C1^{-}) 是電荷泵電容的連接引腳，需要在這兩個(gè)引腳之間連接一個(gè) 0.1μF 的電容。

(V_{OUT}) 引腳

(V_{OUT}) 為負(fù)電壓輸出引腳，必須通過(guò)一個(gè) 4.7μF 或更大的電容旁路到地，以確保穩(wěn)壓器環(huán)路的穩(wěn)定性。為了達(dá)到規(guī)定的輸出紋波，建議使用至少 10μF 的電容。輸出電容應(yīng)選擇中等 ESR 的電容，而不是極低 ESR 的電容，因?yàn)榉答伃h(huán)路中由 ESR 和輸出電容形成的零點(diǎn)可為線性穩(wěn)壓器反饋環(huán)路提供相位超前，使用極低 ESR 的輸出電容可能會(huì)導(dǎo)致輸出振蕩。此外，建議在主輸出電容上并聯(lián)一個(gè)低 ESR 的 0.1μF 電容，以減小輸出的高頻尖峰。

CPOUT 引腳

CPOUT 為負(fù)電荷泵輸出引腳，需要連接一個(gè) 0.1μF 的存儲(chǔ)電容到地。為了使輸出電壓紋波小于 1mV，CPOUT 電容的接地連接必須直接連接到 (V_{CC}) 旁路電容的底部和 LTC1550L/LTC1551L 的 GND 引腳，以減小電荷泵的交流電流路徑。

REG 引腳

REG 為開漏輸出引腳，當(dāng)輸出電壓在設(shè)定值的 5% 以內(nèi)時(shí)，該引腳會(huì)拉低。在 5V 電源的情況下，它可以將 4mA 的電流灌入地。外部電路必須提供上拉電阻，否則 REG 無(wú)法拉高。REG 引腳的電壓可以超過(guò) (V_{CC})，并且可以上拉到高于地 6V 的電壓而不會(huì)損壞芯片。對(duì)于 LTC1550L 的可調(diào)電壓版本，REG 引腳僅在 16 引腳的 GN 封裝中可用。

ADJ 引腳（可調(diào)版本）

ADJ 為可調(diào)版本的反饋點(diǎn)，需要連接一個(gè)從 GND 到 (V_{out}) 的電阻分壓器，分壓器的抽頭連接到 ADJ 引腳。需要注意的是，電阻分壓器的連接方式與負(fù)穩(wěn)壓器的常規(guī)連接方式相反，具體的連接細(xì)節(jié)可參考應(yīng)用信息部分。

應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

應(yīng)用場(chǎng)景

LTC1550L/LTC1551L 適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如 GaAs FET 偏置發(fā)生器、負(fù)電源發(fā)生器、電池供電系統(tǒng)以及單電源應(yīng)用等。在便攜式 RF 和蜂窩電話應(yīng)用中，它可以作為 GaAs 發(fā)射機(jī) FET 的偏置電壓發(fā)生器，為電路提供穩(wěn)定的負(fù)電壓。

可調(diào)版本的連接方式

對(duì)于可調(diào)版本的 LTC1550L/LTC1551L，輸出電壓通過(guò)一個(gè)從 GND 到 (V{OUT}) 的電阻分壓器來(lái)設(shè)置。由于內(nèi)部參考和內(nèi)部反饋放大器是作為一個(gè)以 (V{OUT}) 引腳為參考的正輸出穩(wěn)壓器設(shè)置的，而不是以地為參考的負(fù)穩(wěn)壓器，因此輸出電阻分壓器必須設(shè)置為在 ADJ 引腳相對(duì)于 (V_{OUT}) 提供 1.225V 的電壓。

電容選擇

電容的選擇對(duì)于 LTC1550L/LTC1551L 的性能至關(guān)重要。該產(chǎn)品需要四個(gè)外部電容：一個(gè)輸入旁路電容、兩個(gè) 0.1μF 的電荷泵電容和一個(gè)輸出濾波電容。輸出電容的大小和 ESR 對(duì)輸出紋波和噪聲性能有顯著影響。一般來(lái)說(shuō)，較大的輸出電容可以提供較低的輸出紋波，為了使輸出電壓紋波低于 (1 mV{P - P})，需要至少 10μF 的電容與一個(gè) 0.1μF 的陶瓷電容并聯(lián)。同時(shí)，為了保證環(huán)路在所有條件下的穩(wěn)定性，輸出端至少需要 4.7μF 的電容。輸入旁路電容也會(huì)對(duì)輸出紋波產(chǎn)生影響，建議使用 2.2μF 的表面貼裝陶瓷電容，并且應(yīng)盡可能靠近 LTC1550L/LTC1551L 的 (V{CC}) 和 GND 引腳安裝。

典型應(yīng)用電路

-4.1V 輸出 GaAs FET 偏置發(fā)生器

該應(yīng)用電路通過(guò) LTC1550L - 4.1 芯片，在 4.5V 到 5.25V 的電源電壓下，為 GaAs 發(fā)射機(jī)提供 -4.1V 的偏置電壓。電路中使用了 2.2μF 的輸入旁路電容、兩個(gè) 0.1μF 的電荷泵電容和一個(gè) 10μF 的輸出濾波電容，確保了輸出電壓的穩(wěn)定性和低紋波。

(1 mV_{P - P}) 紋波、 -2V 輸出 GaAs FET 偏置發(fā)生器

此電路使用 LTC1550L - 2 芯片，在 2.7V 到 5.25V 的電源電壓下，提供 -2V 的輸出電壓，輸出紋波小于 (1 mV_{P - P})。同樣，電路中采用了合適的電容組合，保證了電路的性能。

相關(guān)產(chǎn)品對(duì)比

Linear Technology 公司還提供了一系列相關(guān)的產(chǎn)品，如 LT1054、LTC1261、LTC1429 等。這些產(chǎn)品在功能和性能上各有特點(diǎn)，例如 LT1054 是一款帶穩(wěn)壓器的開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器，最大輸出電流可達(dá) 100mA；LTC1261 是一款開關(guān)電容穩(wěn)壓電壓逆變器，具有可選的固定輸出電壓；LTC1429 是一款時(shí)鐘同步開關(guān)電容電壓逆變器，可與高達(dá) 2MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘同步。工程師在選擇產(chǎn)品時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和性能要求進(jìn)行綜合考慮。

總的來(lái)說(shuō)，LTC1550L/LTC1551L 以其低噪聲、高頻率、小尺寸和多種輸出電壓選項(xiàng)等特點(diǎn)，在電源管理領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇電容、設(shè)置輸出電壓，并注意引腳的連接方式，以充分發(fā)揮該產(chǎn)品的性能。大家在使用過(guò)程中是否也遇到過(guò)一些有趣的問(wèn)題或者有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。