LTC1550L/LTC1551L：低噪聲開關電容穩壓電壓逆變器的卓越之選

在電子設計的領域中，電源管理是至關重要的一環。今天我們要深入探討的是 Linear Technology 公司推出的 LTC1550L/LTC1551L 低噪聲開關電容穩壓電壓逆變器，它在許多應用場景中都展現出了獨特的優勢。

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產品特性亮點

電源與輸出特性

LTC1550L/LTC1551L 能夠通過單路正電源產生穩壓負電壓，輸出紋波極低，典型值小于 (1 mV_{P - P})。其電荷泵頻率高達 900kHz，這一高頻特性不僅有助于避免干擾便攜式射頻系統常用的 400kHz - 600kHz 中頻頻段，還能減小所需外部電容的尺寸，僅需使用 0.1μF 的電荷泵電容。而且，整個電路僅需要四個外部電容，大大簡化了設計。

輸出電壓與電流

該系列產品具有固定的 -4.1V、 -2.5V、 -2V 輸出電壓版本，同時也有可調輸出電壓的選項，滿足不同的應用需求。在輸出電流方面，根據 (V{CC}) 到 (V{OUT}) 的范圍，最大可提供 20mA 的輸出電流。并且，在不同的線路、負載和溫度條件下，輸出穩壓精度能達到 2.5%，保證了輸出電壓的穩定性。

低功耗模式

產品具備關機模式，在該模式下，電源電流可降至小于 1μA，有效降低了功耗，延長了電池供電系統的續航時間。

封裝形式

LTC1550L/LTC1551L 提供了多種封裝形式，包括 8 引腳的 MSOP、8 引腳的窄體 SO 和 16 引腳的窄體 SSOP，方便工程師根據實際的 PCB 布局和空間要求進行選擇。

內部結構與工作原理

整體架構

LTC1550L/LTC1551L 主要由兩個主要模塊組成：反相電荷泵和負線性穩壓器。電荷泵利用兩個外部電容 (C1) 和 (C_{CP}) 在 (CPOUT) 端產生負電壓，而負線性穩壓器則對輸出電壓進行穩壓處理，確保輸出的穩定性和低紋波。

電荷泵工作原理

電荷泵通過內部 900kHz 時鐘的交替相位對 (C1) 進行充電和放電操作。初始時，(C1) 通過開關 (S1) 和 (S3) 充電至 (V{CC})；當時鐘相位改變時，(S1) 和 (S3) 斷開，(S2) 和 (S4) 閉合，將 (C1) 的正極接地，使得 (C1) 的負極電壓低于地電位，電荷通過 (S4) 轉移到 (C{CP}) 上。隨著這個循環的不斷重復，負電壓的幅值逐漸接近 (V_{CC})。

線性穩壓器工作原理

(CPOUT) 端的負電壓作為負線性穩壓器模塊的輸入。該模塊由一個 N 溝道 MOSFET 通斷器件和一個反饋放大器組成。反饋放大器會監測輸出電壓，并將其與內部參考電壓進行比較，從而調整 MOSFET 的導通狀態，使輸出電壓穩定在設定值。對于固定電壓版本，輸出電壓由一對內部分壓電阻設定；對于可調版本，則通過外部電阻分壓器來設置輸出電壓。

關鍵參數與性能指標

絕對最大額定值

在使用 LTC1550L/LTC1551L 時，需要注意其絕對最大額定值。電源電壓最大為 5.5V，總電壓 (V{cc}) 最大為 10.8V，輸入電壓（SHDN 引腳）范圍為 -0.3V 到 ((V{cc} + 0.3V))，輸入電壓（REG 引腳）范圍為 -0.3V 到 6V，輸出短路持續時間最長為 30 秒。此外，不同的溫度范圍也有相應的限制，如商業溫度范圍為 0°C 到 70°C，工業溫度范圍為 -40°C 到 85°C 等。

電氣特性

在電氣特性方面，不同版本的產品對電源電壓有不同的要求，例如可調版本和固定 -2V 版本的電源電壓范圍為 2.7V 到 5.25V，固定 -2.5V 版本為 3.05V 到 5.25V，固定 -4.1V 版本為 4.5V 到 5.25V。內部振蕩器頻率典型值為 900kHz，REG 輸出低電壓在特定條件下最大為 0.8V，REG 灌電流在特定條件下為 4mA 到 10mA 等。

典型性能特性

通過一系列的典型性能特性曲線，我們可以更直觀地了解產品的性能。例如，振蕩器頻率隨溫度的變化曲線顯示了在不同溫度下振蕩器頻率的穩定性；電源電流隨溫度的變化曲線反映了產品在不同溫度下的功耗情況；最小所需 (V{cc}) 與 (V{out}) 和 (I_{OUT}) 的關系曲線則幫助我們確定在不同輸出電壓和電流要求下所需的最小電源電壓。

引腳功能詳解

SHDN 引腳

SHDN 引腳為關機引腳，具有 TTL 兼容性。對于 LTC1550L，該引腳為低電平有效；對于 LTC1551L，該引腳為高電平有效。當該引腳處于相應的有效電平時，芯片進入關機模式，電荷泵停止工作，輸出電壓降至 0V，靜態電流典型值降至 0.2μA。需要注意的是，LTC1550L 的 SHDN 引腳為高阻抗輸入，無內部上拉電阻，需要用戶提供上拉電阻或電流源；而 LTC1551L 的 SHDN 引腳有一個典型值為 5μA 的內部下拉電阻，可使芯片默認處于正常工作模式。

(V_{CC}) 引腳

(V{CC}) 為電源引腳，需要輸入 2.7V 到 5.25V 的電壓。不同的輸出電壓和輸出負載電流組合可能對輸入電壓有額外的要求，具體可參考電氣特性表和典型性能特性曲線。為了減小輸出的噪聲和紋波，(V{CC}) 必須通過至少 0.1μF 的電容直接旁路到 PGND（8 引腳封裝為 GND），并且建議使用 1μF 或更大的低 ESR 旁路電容，推薦使用表面貼裝陶瓷電容。

(C1^{+}) 和 (C1^{-}) 引腳

(C1^{+}) 和 (C1^{-}) 是電荷泵電容的連接引腳，需要在這兩個引腳之間連接一個 0.1μF 的電容。

(V_{OUT}) 引腳

(V_{OUT}) 為負電壓輸出引腳，必須通過一個 4.7μF 或更大的電容旁路到地，以確保穩壓器環路的穩定性。為了達到規定的輸出紋波，建議使用至少 10μF 的電容。輸出電容應選擇中等 ESR 的電容，而不是極低 ESR 的電容，因為反饋環路中由 ESR 和輸出電容形成的零點可為線性穩壓器反饋環路提供相位超前，使用極低 ESR 的輸出電容可能會導致輸出振蕩。此外，建議在主輸出電容上并聯一個低 ESR 的 0.1μF 電容，以減小輸出的高頻尖峰。

CPOUT 引腳

CPOUT 為負電荷泵輸出引腳，需要連接一個 0.1μF 的存儲電容到地。為了使輸出電壓紋波小于 1mV，CPOUT 電容的接地連接必須直接連接到 (V_{CC}) 旁路電容的底部和 LTC1550L/LTC1551L 的 GND 引腳，以減小電荷泵的交流電流路徑。

REG 引腳

REG 為開漏輸出引腳，當輸出電壓在設定值的 5% 以內時，該引腳會拉低。在 5V 電源的情況下，它可以將 4mA 的電流灌入地。外部電路必須提供上拉電阻，否則 REG 無法拉高。REG 引腳的電壓可以超過 (V_{CC})，并且可以上拉到高于地 6V 的電壓而不會損壞芯片。對于 LTC1550L 的可調電壓版本，REG 引腳僅在 16 引腳的 GN 封裝中可用。

ADJ 引腳（可調版本）

ADJ 為可調版本的反饋點，需要連接一個從 GND 到 (V_{out}) 的電阻分壓器，分壓器的抽頭連接到 ADJ 引腳。需要注意的是，電阻分壓器的連接方式與負穩壓器的常規連接方式相反，具體的連接細節可參考應用信息部分。

應用信息與設計要點

應用場景

LTC1550L/LTC1551L 適用于多種應用場景，如 GaAs FET 偏置發生器、負電源發生器、電池供電系統以及單電源應用等。在便攜式 RF 和蜂窩電話應用中，它可以作為 GaAs 發射機 FET 的偏置電壓發生器，為電路提供穩定的負電壓。

可調版本的連接方式

對于可調版本的 LTC1550L/LTC1551L，輸出電壓通過一個從 GND 到 (V{OUT}) 的電阻分壓器來設置。由于內部參考和內部反饋放大器是作為一個以 (V{OUT}) 引腳為參考的正輸出穩壓器設置的，而不是以地為參考的負穩壓器，因此輸出電阻分壓器必須設置為在 ADJ 引腳相對于 (V_{OUT}) 提供 1.225V 的電壓。

電容選擇

電容的選擇對于 LTC1550L/LTC1551L 的性能至關重要。該產品需要四個外部電容：一個輸入旁路電容、兩個 0.1μF 的電荷泵電容和一個輸出濾波電容。輸出電容的大小和 ESR 對輸出紋波和噪聲性能有顯著影響。一般來說，較大的輸出電容可以提供較低的輸出紋波，為了使輸出電壓紋波低于 (1 mV{P - P})，需要至少 10μF 的電容與一個 0.1μF 的陶瓷電容并聯。同時，為了保證環路在所有條件下的穩定性，輸出端至少需要 4.7μF 的電容。輸入旁路電容也會對輸出紋波產生影響，建議使用 2.2μF 的表面貼裝陶瓷電容，并且應盡可能靠近 LTC1550L/LTC1551L 的 (V{CC}) 和 GND 引腳安裝。

典型應用電路

-4.1V 輸出 GaAs FET 偏置發生器

該應用電路通過 LTC1550L - 4.1 芯片，在 4.5V 到 5.25V 的電源電壓下，為 GaAs 發射機提供 -4.1V 的偏置電壓。電路中使用了 2.2μF 的輸入旁路電容、兩個 0.1μF 的電荷泵電容和一個 10μF 的輸出濾波電容，確保了輸出電壓的穩定性和低紋波。

(1 mV_{P - P}) 紋波、 -2V 輸出 GaAs FET 偏置發生器

此電路使用 LTC1550L - 2 芯片，在 2.7V 到 5.25V 的電源電壓下，提供 -2V 的輸出電壓，輸出紋波小于 (1 mV_{P - P})。同樣，電路中采用了合適的電容組合，保證了電路的性能。

相關產品對比

Linear Technology 公司還提供了一系列相關的產品，如 LT1054、LTC1261、LTC1429 等。這些產品在功能和性能上各有特點，例如 LT1054 是一款帶穩壓器的開關電容電壓轉換器，最大輸出電流可達 100mA；LTC1261 是一款開關電容穩壓電壓逆變器，具有可選的固定輸出電壓；LTC1429 是一款時鐘同步開關電容電壓逆變器，可與高達 2MHz 的系統時鐘同步。工程師在選擇產品時，需要根據具體的應用需求和性能要求進行綜合考慮。

總的來說，LTC1550L/LTC1551L 以其低噪聲、高頻率、小尺寸和多種輸出電壓選項等特點，在電源管理領域具有很大的優勢。在實際應用中，工程師需要根據具體的設計要求，合理選擇電容、設置輸出電壓，并注意引腳的連接方式，以充分發揮該產品的性能。大家在使用過程中是否也遇到過一些有趣的問題或者有獨特的設計思路呢？歡迎在評論區分享交流。