MAX680/MAX681：+5V 到 ±10V 電壓轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子設計領域，電壓轉(zhuǎn)換是一個常見且關鍵的環(huán)節(jié)。今天我們就來深入探討一下 Maxim Integrated 公司的 MAX680/MAX681 這兩款 +5V 到 ±10V 的電壓轉(zhuǎn)換器，看看它們在實際應用中能為我們帶來哪些便利和優(yōu)勢。

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一、產(chǎn)品概述

MAX680/MAX681 是單芯片、CMOS 雙電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，能夠從 +5V 輸入電壓產(chǎn)生 ±10V 輸出。它結(jié)合了正向升壓電荷泵（從 +5V 輸入產(chǎn)生 +10V）和反相電荷泵（產(chǎn)生 -10V 輸出），并且都帶有一個片上 8kHz 振蕩器。不同的是，MAX681 內(nèi)部集成了電容，而 MAX680 則需要四個外部電容來實現(xiàn)單電源產(chǎn)生正負電壓。這款轉(zhuǎn)換器典型輸出源阻抗為 150Ω，可提供高達 10mA 的有用輸出電流。低靜態(tài)電流和高效率的特點，使其適用于需要從單電源產(chǎn)生正負電壓的各種應用場景。不過對于新設計，也推薦考慮 MAX864/MAX865，其中 MAX864 工作頻率高達 200kHz，使用更小的電容；MAX865 采用更小的 μMAX 封裝。

二、技術特性亮點

高效轉(zhuǎn)換

電壓轉(zhuǎn)換效率高達 95%，功率轉(zhuǎn)換效率達到 85%。如此高的效率意味著在能量轉(zhuǎn)換過程中損失較小，能有效降低功耗，提高整個系統(tǒng)的能源利用率。在一些對功耗要求較高的應用中，這一特性顯得尤為重要。

寬電壓范圍

支持 +2V 到 +6V 的電壓輸入范圍，這使得它在不同電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，增加了其使用的靈活性。無論是使用低電壓的電池供電，還是標準的邏輯電源，都可以輕松應對。

電容配置靈活

MAX680 僅需四個外部電容，這些電容可以選擇價格相對較低的 1μF 到 100μF 范圍內(nèi)的電解電容。而 MAX681 則無需外部電容，內(nèi)部集成了所需電容，對于 PCB 板空間有限的應用來說，是一個很好的選擇。

低供電電流

供電電流僅為 500μA，低功耗的特性使得它在一些對電源續(xù)航要求較高的設備中表現(xiàn)出色，如電池供電的手持儀器等。

單芯片 CMOS 設計

單芯片的設計使得電路結(jié)構(gòu)更加簡潔，減少了外部元件的使用，降低了設計復雜度和成本。同時，CMOS 工藝具有低功耗、高集成度等優(yōu)點，進一步提高了產(chǎn)品的性能和可靠性。

三、應用領域廣泛

電池供電設備

可以從 3V 鋰電池產(chǎn)生 ±6V 電壓，為電池供電的設備提供合適的電源。在一些手持儀器、便攜式設備中，由于電池電壓有限，需要通過電壓轉(zhuǎn)換來滿足不同電路的工作需求，MAX680/MAX681 就可以很好地完成這個任務。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運算放大器

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常常需要正負電源來驅(qū)動運算放大器等模擬電路。MAX680/MAX681 可以從標準的 +5V 邏輯電源產(chǎn)生 ±10V 電壓，為模擬電路提供穩(wěn)定的電源，保證數(shù)據(jù)采集的準確性和精度。

面板儀表電源

為面板儀表提供所需的正負電源，確保儀表的正常工作。在工業(yè)控制、儀器儀表等領域，面板儀表是常見的顯示和監(jiān)測設備，穩(wěn)定的電源供應對于其性能至關重要。

四、電路工作原理與分析

正向電壓轉(zhuǎn)換器

MAX680/MAX681 的正向電壓轉(zhuǎn)換器通過片上振蕩器產(chǎn)生 50% 占空比的時鐘信號。在時鐘周期的前半部分，開關 S2 和 S4 斷開，S1 和 S3 閉合，電容 C1 充電至輸入電壓 VCC；后半周期，S1 和 S3 斷開，S2 和 S4 閉合，C1 的電壓上升 VCC，通過電荷轉(zhuǎn)移使 C3 上的電壓達到 2VCC，從而產(chǎn)生正電源。

負向電壓轉(zhuǎn)換器

負向轉(zhuǎn)換器的開關與正向轉(zhuǎn)換器相位相反。在時鐘周期的后半部分，S6 和 S8 斷開，S5 和 S7 閉合，電容 C2 從 V+（由正向電荷泵升壓至 2VCC）充電到 GND；前半周期，S5 和 S7 斷開，S6 和 S8 閉合，C2 上的電荷轉(zhuǎn)移到 C4，產(chǎn)生負電源。這里的八個開關均為 CMOS 功率 MOSFET，其中 S1、S2、S4 和 S5 為 P 溝道開關，S3、S6、S7 和 S8 為 N 溝道開關。

效率考慮

理論上，電荷泵電壓倍增器在電荷泵開關幾乎無偏移且導通電阻極低、驅(qū)動電路功耗極小、儲能和泵電容的阻抗可忽略不計的條件下，效率可接近 100%。對于 MAX680/MAX681，每個時鐘周期的能量損失是正向和負向轉(zhuǎn)換器能量損失之和。如果泵電容 C1 和 C2 的阻抗相對于其各自的輸出負載較高，正向泵的 (V+ - VCC) 與 VCC 之間以及 V+ 與 V- 之間會存在較大的電壓差。增大 C3 和 C4 儲能電容的值可以減少輸出紋波，同時增大泵電容和儲能電容的值也能提高效率。

最大工作限制

MAX680/MAX681 片上有齊納二極管，可將 VCC 鉗位到約 6.2V，V+ 鉗位到 12.4V，V- 鉗位到 -12.4V。使用時切勿超過最大電源電壓，否則過大的電流可能會通過這些二極管，從而損壞芯片。該器件在 +2V 到 +6V 的輸入電壓下，可在整個工作溫度范圍內(nèi)正常工作。

五、實際應用電路設計

正負轉(zhuǎn)換器電路

這是 MAX680/MAX681 最常見的應用，作為雙電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，它能提供兩倍于正輸入電壓的正負輸出。對于 PCB 板空間有限的應用，可選擇 MAX681；而使用 MAX680 時，需要外部電容 C1 和 C3 用于正向泵，C2 和 C4 用于負向泵。在大多數(shù)應用中，四個電容可選擇低成本的 10μF 或 22μF 極化電解電容。在低電流應用中，C1 和 C2 電荷泵電容可選用 1μF，C3 和 C4 儲能電容可選用 4.7μF。需要注意的是，C1 和 C3 的額定電壓必須為 6V 或更高，C2 和 C4 的額定電壓必須為 12V 或更高。

并聯(lián)器件以降低源電阻

將多個 MAX680/MAX681 并聯(lián)使用，可以降低正向和負向轉(zhuǎn)換器的輸出電阻。有效輸出電阻等于單個器件的輸出電阻除以并聯(lián)器件的數(shù)量。每個 MAX680 需要單獨的泵電容 C1 和 C2，但可以共享一組儲能電容。

單 3V 電池實現(xiàn) ±5V 穩(wěn)壓電源

通過結(jié)合 MAX680/MAX681、MAX666 和 MAX664，可以從單個 3V 電池實現(xiàn)一個完整的 ±5V 電源。MAX680/MAX681 在 V+ 端提供 +6V 電壓，由 MAX666 穩(wěn)壓至 +5V；在 V- 端提供 -6V 電壓，由 MAX664 穩(wěn)壓至 -5V。MAX666 和 MAX664 在晶圓分選時已預調(diào)整，無需外部設置電阻，減少了元件數(shù)量。整個系統(tǒng)的靜態(tài)電流小于 500μA，輸出電流能力為 5mA。當 VCC 為 5V 時，兩個穩(wěn)壓輸出可同時輸出 10mA 電流。

六、總結(jié)與思考

MAX680/MAX681 作為一款性能出色的電壓轉(zhuǎn)換器，在效率、靈活性和適用性方面都有很好的表現(xiàn)。它的多種特性和應用場景為電子工程師在設計電路時提供了更多的選擇和思路。但在實際應用中，我們也需要根據(jù)具體的需求和電路條件，合理選擇器件和配置電容，以達到最佳的性能和穩(wěn)定性。例如，在選擇電容時，要考慮電容的容量、耐壓和成本等因素；在并聯(lián)器件時，要注意電路的布局和布線，避免出現(xiàn)干擾和不穩(wěn)定的情況。大家在使用 MAX680/MAX681 時，有沒有遇到過什么特殊的問題或者有什么獨特的應用經(jīng)驗呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。