LM2664：开关电容式电压转换器
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LM2664：开关电容式电压转换器
特性
- 输入电压反相输出
- 6引脚SOT-23封装
- 典型输出阻抗为12 Ω
- 在40 mA负载下，转换效率可达91%
- 典型关断电流为1 µA
典型应用
产品概述
LM2664是一款CMOS电荷泵电压转换器，能够将1.8 V至5.5 V的正电压转换为对应的负电压，范围为-1.8 V至-5.5 V。该器件通过两个低成本电容实现能量传输，最大输出电流可达40 mA。
LM2664以160 kHz的振荡频率运行，有助于降低输出阻抗和电压纹波。其工作电流仅为220 µA（在多数负载条件下效率超过91%），关断电流为1 µA，因此非常适合用于电池供电系统。
功能框图
功能说明
LM2664内部集成四个大尺寸CMOS开关，按顺序切换以实现输入电压的反相。外部电容负责能量的存储与传递。图1展示了其电压转换机制。
在第一阶段，开关S1和S3闭合，电容C1被充电至输入电压V+，此时S2和S4断开。在第二阶段，S1和S3断开，S2和S4闭合，C1向C2充电。经过多个周期后，C2两端电压达到V+。由于C2的阳极接地，其阴极输出电压为−V+。当负载接入时，输出电压下降由MOSFET的导通电阻、电容的等效串联电阻（ESR）以及电荷转移损耗共同决定。
图1. 电压逆变原理
设备工作模式
关断模式
LM2664配备一个关断（SD）引脚，用于禁用设备并降低静态电流至1 µA。当SD引脚电压低于V+的20%时，设备进入关断状态。在正常工作模式下，该引脚应连接至V+。
应用说明
LM2664是一款CMOS电荷泵电压转换器，能够将1.8 V至5.5 V的正电压转换为对应的负电压，范围为-1.8 V至-5.5 V。该器件通过两个低成本电容实现能量传输，最大输出电流可达40 mA。
LM2664以160 kHz的振荡频率运行，有助于降低输出阻抗和电压纹波。其工作电流仅为220 µA（在多数负载条件下效率超过91%），关断电流为1 µA，因此非常适合用于电池供电系统。
典型应用：电压逆变器
图2. 电压逆变器
设计要求
典型电压逆变器应用的设计参数如下：
- 输入电压范围：1.8 V至5.5 V
- 输出电流：0 mA至40 mA
- 开关频率：80 kHz
详细设计要求
LM2664的主要用途是生成负电压电源。电压逆变器电路仅需两个外部电容，如图2所示。输入电压范围为1.8 V至5.5 V。
该电路的输出特性可近似为一个理想电压源与电阻的串联。电压源等于−V+。输出阻抗ROUT由内部MOSFET的导通电阻、振荡频率、C1和C2的电容值以及等效串联电阻（ESR）共同决定。由于C1的充放电电流约为输出电流的两倍，因此其ESR对输出阻抗的影响将被放大四倍。C2的充放电电流与输出电流相近，因此其ESR对输出阻抗的影响仅计算一次。
输出阻抗的近似表达式为：
其中，RSW为内部MOSFET开关的导通电阻总和。使用高电容、低ESR的电容可有效降低输出阻抗。
峰-峰值输出电压纹波由振荡频率、C2的电容值及其ESR决定：
同样，低ESR电容有助于减小电压纹波。
并联配置
多个LM2664芯片可并联使用以降低输出阻抗。每个芯片需配备独立的泵电容C1，而输出电容COUT只需一个。复合输出阻抗为：
图3. 通过并联器件降低输出阻抗
级联配置
将多个LM2664器件级联可实现更高的负电压输出（如图4所示）。若级联器件数量为n，则空载输出电压为−nVin。有效输出阻抗为各器件阻抗的加权和：
需要注意的是，随着n的增加，效率会显著下降，同时输出阻抗和电压纹波也会增加。
图4. 通过级联设备提高输出电压
倍压器与逆变器组合
如图5所示，LM2664可用于实现正电压倍压器和负电压逆变器。需注意，两个输出端的总电流不应超过50 mA。
图5. 组合式倍压器和逆变器
输出电压调节
LM2664的负输出可通过低压差稳压器（如LP2980）进行调节。整个转换器如图6所示。通过选择合适的电阻比，可实现-1.8 V至-5.5 V的稳定输出。
在最坏情况设计中，需同时满足以下条件：
图6. 将LM2664与LP2980结合，制作负压可调稳压器
输出电容选择
输出阻抗和电压纹波受外部电容的电容值和等效串联电阻（ESR）影响。输出电压降等于负载电流乘以输出阻抗，而转换效率为：
其中，IQ(V+)为IC的静态功耗，IL2ROUT为与开关导通电阻、外部电容及其ESR相关的转换损耗。
电容的选择应基于压降（Iout × ROUT）、电压纹波和转换效率的要求。
应用曲线
图7. 效率与负载电流
电源建议
LM2664设计用于在低压引脚接地时，于1.8 V至5.5 V的输入电压范围内作为逆变器运行。输入电源应具备良好的调节能力，并能提供所需的输入电流。若输入电源距离LM2664较远，除陶瓷旁路电容外，可能还需额外的体电容。
布局建议
由于LM2664具有高开关频率和较大的开关电流，因此布局设计至关重要。为确保设备稳定运行，并在预期电压和电流范围内实现良好的LED电流调节，建议采取以下措施：
- 将CIN放置在顶层（与LM2664位于同一层），并尽可能靠近器件。使用短而宽的走线连接CIN至V+和GND引脚，以减少电感电压尖峰。
- 将COUT放置在顶层，并尽可能靠近OUT和GND引脚。CIN和COUT的回路应汇聚于一点，且靠近GND引脚。使用短而宽的走线连接COUT，以减少串联电感。
- 将C1放置在顶层，并尽可能靠近器件。使用短而宽的走线连接飞跨电容至CAP+和CAP-引脚。
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