ZHCAFK9 July 2025 LM25184 , LM2611 , LM27761 , LM5158 , LMR33640 , TLV171 , TPS63700
2.1 使用電荷泵生成負(fù)電源
使用正電源生成負(fù)電源的第一種方法是使用電荷泵。負(fù)電源電荷泵的原理如 圖 2-1 所示。電荷泵中的電壓逆變器部分包含四個(gè)大型 CMOS 開關(guān)，這些開關(guān)按順序切換，從而實(shí)現(xiàn)輸入電源電壓的逆變。能量的傳輸與儲(chǔ)存則由外部電容器 C1 完成。在第一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，開關(guān) S2 和 S4 處于斷開狀態(tài)，如 圖 2-1 所示。而 S1 和 S3 則處于閉合狀態(tài)。然后，輸入能量將傳輸?shù)酵獠侩娙萜?C1。在第二個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，S1 和 S3 處于斷開狀態(tài)。同時(shí)，S2 和 S4 處于閉合狀態(tài)，C1 為 COUT 充電。經(jīng)過多個(gè)周期后，COUT 上的電壓會(huì)被轉(zhuǎn)換并疊加到 VIN 上。由于 COUT 的陽(yáng)極接地，因此當(dāng)沒有負(fù)載電流時(shí)，COUT 陰極的輸出等于 –(VIN)。添加負(fù)載后，輸出壓降由寄生電阻（MOSFET 開關(guān)的 RDS_ON 和電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR)）和電容器之間的電荷傳輸損耗決定。因此，電荷泵轉(zhuǎn)換器便可將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓。顯然，在無負(fù)載的情況下，輸出電壓的振幅等于輸入電壓。
圖 2-1 正電壓輸入和負(fù)輸出電荷泵的原理電荷泵的輸出特性可通過與電阻串聯(lián)的電壓源來近似計(jì)算。電壓源等于 –(VIN)。輸出電阻 ROUT 是內(nèi)部 MOSFET 開關(guān)的導(dǎo)通電阻、振蕩器頻率、電容以及 C1 和 COUT 的 ESR 的函數(shù)。由于對(duì) C1 進(jìn)行充電和放電的開關(guān)電流大約是輸出電流的兩倍，泵電容器 C1 的 ESR 在輸出電阻中的影響被放大了四倍。電荷泵輸出電容器 COUT 以大約等于輸出電流的電流進(jìn)行充電和放電；因此，ESR 在輸出電阻中只計(jì)算一次。電荷泵 ROUT 的一個(gè)良好近似如 方程式 1 所示：
其中，RSW 是內(nèi)部 MOSFET 開關(guān)導(dǎo)通電阻的總和。使用高電容、低 ESR 的陶瓷電容器能夠降低輸出電阻。借助此公式，設(shè)計(jì)人員可以估算在特定輸出電流和輸入電壓下的最大輸出電壓。
TI 提供多款滿足特定應(yīng)用需求的負(fù)輸出電荷泵。LM27761 不僅集成了負(fù)電荷泵，還集成了 LDO，以提升電源性能并降低噪聲。請(qǐng)參閱 圖 2-2。圖 2-3 展示了典型的應(yīng)用框圖。LM27761 的優(yōu)勢(shì)包括性能更優(yōu)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉且尺寸緊湊。方程式 2 展示了輸出電壓。
圖 2-2 LM27761 方框圖
圖 2-3 LM27761 的典型應(yīng)用電路市面上電荷泵的最大輸出電流通常低于 300mA。LM27761 的最大輸出電流為 250mA，能夠滿足許多應(yīng)用的要求。電荷泵的第二個(gè)限制是輸出電壓振幅不得大于輸入電壓，并且必須留有一定的裕度。例如，設(shè)計(jì)人員無法通過 5V 輸入電壓獲得 -5V 輸出電壓。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，要在 250mA 輸出電流下獲得 -5V 輸出電壓，LM27761 的輸入電壓必須高于 5.5V。