探索LM2661/3/4評估板：CMOS電荷泵電壓轉換器的應用與設計

在電子設計領域，電壓轉換是一個關鍵環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的LM2661、LM2663和LM2664這三款CMOS電荷泵電壓轉換器，以及它們在評估板上的具體應用和設計要點。

文件下載：LM2661/3/4EVAL.pdf

一、LM2661/3/4簡介

LM2661、LM2663和LM2664屬于CMOS電荷泵電壓轉換器家族。它們利用兩個小電容實現(xiàn)電壓反轉或電壓倍增，避免了基于電感的轉換器所帶來的成本、尺寸和電磁干擾（EMI）問題。

各型號特點

• LM2661：有SOIC - 8和VSSOP - 8封裝，在輸入電壓加倍配置下，僅需額外一個二極管，就能提供高達100mA的輸出電流。典型效率在100mA輸出時為88%，典型輸出電阻為6.5Ω。關機模式下僅消耗500nA電源電流，工作時為120μA。內部振蕩器頻率為80kHz，輸入電壓范圍是+2.5V至+5.5V，也能在不同配置下反轉+1.5V至+5.5V的輸入電壓。
• LM2663：采用SOIC - 8封裝，可將輸入電壓反轉，提供高達200mA的輸出電流。200mA輸出時典型效率為86%，典型輸出電阻為3.5Ω。關機時消耗10μA電源電流，工作時為300μA。內部振蕩器頻率為150kHz，輸入電壓范圍是+1.5V至+5.5V，在不同配置下也能將+2.5V至+5.5V的輸入電壓加倍。
• LM2664：采用SOT23 - 6封裝，將輸入電壓反轉，提供高達40mA的輸出電流。40mA輸出時典型效率為91%，典型輸出電阻為12Ω。關機時消耗1μA電源電流，工作時為220μA。振蕩器頻率為160kHz，輸入電壓范圍是+1.8V至+5.5V。

這些轉換器因其小尺寸和低輪廓，適用于手機、筆記本電腦、運算放大器電源、接口電源、醫(yī)療儀器、個人數(shù)字助理（PDA）和手持儀器等多種設備。我們不禁思考，如何根據(jù)不同設備的需求，精準選擇合適的型號呢？

二、評估板上的配置與組件選擇

LM2661的加倍配置

在評估板上，LM2661采用加倍配置，僅使用兩個電容和一個二極管，還包含一個手動關機跳線J1。內部振蕩器頻率為80kHz，在加倍模式下，振蕩器頻率只能通過外部電容修改，不能由外部時鐘驅動。肖特基二極管D1僅用于啟動，但需能處理為輸出電容充電所需的電流。此板選用了MBR0520LT1 20V、0.5A二極管。

電容選擇至關重要，它決定了輸出電壓紋波和輸出電阻。該電路選用了太誘（Taiyo - Yuden）的22μF陶瓷電容（型號EMK432BJ226MM），因其低等效串聯(lián)電阻（ESR）以及穩(wěn)定的溫度和頻率特性，可增強器件性能。不過，鉭電容和其他陶瓷電容及不同電容值也可根據(jù)不同的性能、尺寸或成本要求進行選擇。評估板上設置了通用焊盤，方便更換不同尺寸的電容。你在實際設計中，是否也會優(yōu)先考慮低ESR的電容呢？

LM2663的反轉配置

LM2663在評估板上配置為反相器，包含手動關機跳線J2，使用內部150kHz的振蕩器頻率。與LM2661一樣，電容選擇也很重要，由于該電路運行頻率比LM2661高，可使用較小電容值。這里選用了太誘的10μF陶瓷電容（型號JMK316BJ106ML - T），也是因其低ESR和穩(wěn)定特性。同樣，可根據(jù)不同需求選擇其他類型和尺寸的電容。

LM2664的反轉配置

LM2664同樣在評估板上用作反相器，有手動關機跳線J3。其頻率固定為160kHz，不可調。該電路的輸出電阻和輸出電壓紋波計算公式與前兩者相同，所以電容選擇依舊關鍵。選用了太誘的多層陶瓷片式3.3μF電容（型號LMK316BJ335ML - T），其低ESR（測量值約25mΩ）和小尺寸（1206）體現(xiàn)了LM2664的高性能和電路的小尺寸。在40mA負載下，輸出電壓紋波峰峰值小于75mV。當然，也可根據(jù)不同性能和/或尺寸要求選擇其他類型和尺寸的電容。

輸出電阻和電壓紋波公式

輸出電阻和電壓紋波的計算公式如下： [R{OUT } cong 2 R{SW}+frac{2}{f{OSC} × C{1}}+4 ESR{C 1}+ESR{C 2}] 其中，(R{SW})是內部開關導通電阻之和，LM2661的(R{sw})典型值為1.4Ω，LM2663為0.9Ω，LM2664為4Ω。 [V{RIPPLE }=frac{I{L}}{f{OSC } × C{2}}+2 × I{L} × ESR{C 2}] 式中，(C_{2})始終是電路的輸出電容。通過這些公式，我們可以清晰地看到電容值和ESR對輸出電阻和輸出電壓紋波的影響。在實際設計中，你會如何運用這些公式來優(yōu)化電路性能呢？

三、元件列表和相關信息

同時，還給出了各制造商的聯(lián)系信息，方便在設計過程中獲取更多技術支持。

四、開關電容家族產(chǎn)品對比

文檔中還列出了開關電容家族的相關產(chǎn)品信息，包括產(chǎn)品功能、輸出電阻、輸出電流、輸入電壓范圍、振蕩器頻率、靜態(tài)電流、關機控制、頻率同步和封裝等參數(shù)。通過對比這些參數(shù)，我們可以更全面地了解不同產(chǎn)品的特點，從而為設計選擇最合適的器件。

五、重要注意事項

德州儀器對其半導體產(chǎn)品和服務保留進行修改、改進和停產(chǎn)的權利。買家在下單前應獲取最新相關信息，并核實其時效性和完整性。TI對其組件的性能提供符合銷售條款和條件的保修，但并非對每個組件的所有參數(shù)都進行測試。TI不承擔買家產(chǎn)品應用協(xié)助或設計的責任，買家需自行負責產(chǎn)品和應用，并提供足夠的設計和操作保障措施。

此外，在使用TI組件時，還需注意知識產(chǎn)權許可、產(chǎn)品復制、轉售聲明等問題。對于安全關鍵應用、醫(yī)療設備、軍事/航空航天應用和汽車應用等，也有相應的特殊規(guī)定和要求。在實際項目中，你是如何確保遵守這些規(guī)定的呢？

綜上所述，LM2661/3/4評估板為我們展示了CMOS電荷泵電壓轉換器的強大功能和靈活應用。通過合理選擇組件和優(yōu)化電路設計，我們可以充分發(fā)揮這些轉換器的優(yōu)勢，滿足不同電子設備的電壓轉換需求。希望本文能為電子工程師們在相關設計中提供有價值的參考。