SGM3112 5V 電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天就來詳細聊聊 SGM3112 這款 5V 電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器，它在很多應(yīng)用場景中都有著出色的表現(xiàn)。

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一、SGM3112 概述

SGM3112 是一款具有低噪聲輸出電壓的開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。它能夠在 3.1V 至 5.5V 的輸入電壓范圍內(nèi)，提供 5V 輸出和高達 200mA 的輸出電流。當(dāng)輸入電壓降至 2.7V 時，仍可提供 125mA 的輸出電流。在小輸出電流情況下，可通過將 MODE 引腳拉高配置為 PFM 模式，以降低功耗。此外，將 OUTDIS 引腳拉高，可在設(shè)備禁用時對輸出電壓進行放電。它采用綠色 TDFN - 2×2 - 8AL 封裝，具有出色的熱性能，能防止在額定工作條件下過熱。

二、特性亮點

（一）寬輸入電壓范圍

輸入電壓范圍為 2.7V 至 5.5V，這使得它可以適配多種電源，如單節(jié)鋰離子電池、2 節(jié)或 3 節(jié)堿性電池等，增強了其在不同應(yīng)用場景下的通用性。大家在實際設(shè)計中，是否遇到過因為輸入電壓范圍受限而不得不更換電源方案的情況呢？

（二）高輸出能力

能夠提供 5V 固定輸出電壓和 200mA 的輸出電流能力，滿足了很多對 5V 電源有需求的負載。在像多節(jié) AA 電池應(yīng)用、5V 偏置、I/O 偏置電源等場景中都能穩(wěn)定工作。

（三）無電感設(shè)計

僅需 3 個外部組件，相比傳統(tǒng)需要電感的升壓轉(zhuǎn)換器，減少了元件數(shù)量和 PCB 面積，降低了成本和設(shè)計復(fù)雜度。并且在關(guān)機時，輸入與負載斷開，這在一些對電源隔離有要求的場合非常實用。

（四）保護功能完善

具備熱關(guān)斷和短路保護功能，能有效防止芯片因過熱或短路而損壞。同時，其 2.2MHz 的開關(guān)頻率，使得在升壓模式下可以使用更小的外部電容，進一步節(jié)省了空間。

（五）輕載高效

在輕載時可工作于脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式，通過根據(jù)負載變化調(diào)整開關(guān)頻率來降低功耗，提高了能源利用效率。而在對噪聲敏感的應(yīng)用中，也可以將 MODE 引腳拉低，采用固定頻率模式，獲得較低的輸出紋波。

三、引腳配置與功能

SGM3112 采用 TDFN - 2×2 - 8AL 封裝，各個引腳都有其特定的功能：

• MODE 引腳：用于控制 PFM 模式的啟用或禁用。拉高為 PFM 模式，可降低功耗；拉低為固定頻率模式，輸出紋波小。
• C1 - 和 C1 + 引腳：是電荷泵飛跨電容的正負連接端。
• OUTDIS 引腳：當(dāng) EN 引腳為低電平時，拉高該引腳可使輸出快速放電；拉低則輸出高阻抗，緩慢放電。
• EN 引腳：高電平使能芯片，低電平禁用芯片。
• VOUT 引腳：電荷泵轉(zhuǎn)換器的輸出端。
• VIN 引腳：電源輸入引腳。
• GND 引腳：接地引腳，同時暴露焊盤也應(yīng)連接到地，以提高散熱性能。

四、電氣特性

在典型工作條件下（(V{IN}=3.6V)，(C{IN}=C{OUT}=2.2μF)，(C{FLY}=1μF)，(T_{A}=-40^{circ}C) 至 +85℃），SGM3112 表現(xiàn)出了良好的電氣性能。例如，在輸出電流為 180mA 時，輸出電壓可穩(wěn)定在 4.85V 至 5.15V 之間；靜態(tài)電流在不同模式下有所不同，PFM 模式下典型值為 60μA，固定頻率模式下為 5.5mA；關(guān)機電流最大僅 1μA，大大降低了待機功耗。

五、典型應(yīng)用與設(shè)計要點

（一）典型應(yīng)用電路

其典型應(yīng)用電路可以實現(xiàn)從 2.7V 至 5.5V 輸入電壓轉(zhuǎn)換為 5V 輸出，最大輸出電流可達 200mA。在實際設(shè)計中，要注意輸入、輸出和飛跨電容的選擇和布局。

（二）輸出電流能力

當(dāng)輸入電壓高于 3.1V 時，SGM3112 能提供高達 200mA 的負載電流；輸入電壓在 2.7V 至 3.1V 之間時，最大輸出電流為 125mA。可以通過等效輸出電阻模型來估算輸出電壓降，公式為 (V{OUT}=2×V{IN}-I{OUT}×R{OUT})，其中 (R{OUT}) 可通過 (R{OUT}=2×R{sw}+frac{1}{f{sw}×C{FLY}}+4×ESR{CFLY}+ESR_{COUT}) 計算。增大飛跨電容的尺寸可以提高輸出電流能力，但需要在負載電流和電容尺寸之間進行平衡。

（三）效率計算

電荷泵效率可通過公式 (E=(V{OUT}×I{OUT})÷(V{IN}×I{IN})=V{OUT}÷(G×V{IN})) 計算，對于 SGM3112，(G = 2)。考慮靜態(tài)電流時，效率公式為 (E=frac{P{OUT}}{P{IN}}=frac{V{OUT}×I{OUT}}{V{IN}×(2×I{OUT}+I_{Q})})。在設(shè)計中，我們要盡量提高效率，減少功率損耗。

（四）功率損耗

功率損耗可通過 (P{D}=P{IN}-P{OUT}=[V{IN}×(2×I{OUT}+I{Q})]-[V{OUT}×I{OUT}]) 計算。在最大輸入電壓和最大負載電流（5.5V/200mA）時，功率損耗最大，約為 1.2W，此時要注意防止芯片進入熱保護狀態(tài)。

（五）電容選擇

• 輸出電容：影響輸出電壓紋波，推薦使用 10μF、10V 額定電壓的陶瓷電容。輸出電壓紋波可通過 (V{RIPPLE(PEAK - PEAK)}=frac{I{OUT}}{2×C{OUT}×f{SW}}) 和 (V{RIPPLE(PEAK - PEAK)}=(frac{I{OUT}}{C{OUT}}×frac{0.6}{f{SW}})+(2×I{OUT}×ESR{COUT})) 估算。
• 輸入電容：建議使用 10μF、10V 或更高電壓額定的 X5R/X7R 低 ESR 陶瓷電容，它可以加快飛跨電容的充電速度，避免輸入電壓下降，并過濾輸入線上的噪聲。
• 飛跨電容：推薦使用 1μF、10V 額定的 X5R/X7R 低 ESR 陶瓷電容，不能使用鉭電容或電解電容，因為它們有極性要求，在正常工作時可能會反偏。

（六）布局指南

布局對于 SGM3112 的正常工作和性能至關(guān)重要。應(yīng)將輸入、輸出和飛跨電容盡可能靠近芯片，并在同一側(cè)，使用短而寬的走線連接這些電容到 IC，以減少走線寄生效應(yīng)。同時，使用多個 GND 過孔連接 GND 引腳和 PCB 接地平面，提高散熱性能。

六、總結(jié)

SGM3112 作為一款性能出色的 5V 電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入電壓范圍、高輸出能力、無電感設(shè)計、保護功能完善等優(yōu)點。在實際應(yīng)用中，只要我們根據(jù)其特性合理選擇外部組件、優(yōu)化布局，就能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的 5V 電源。大家在使用 SGM3112 或其他類似芯片時，有沒有遇到過一些獨特的問題或解決方案呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。