MAX1682/MAX1683 開關(guān)電容電壓倍增器：設(shè)計與應(yīng)用解析

一、引言

在電子設(shè)備中，電壓轉(zhuǎn)換是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于電池供電或板級電壓倍增應(yīng)用來說，高效、小尺寸的電壓倍增器尤為重要。MAXIM 公司的 MAX1682/MAX1683 開關(guān)電容電壓倍增器就是這樣一款出色的產(chǎn)品，下面我們來詳細(xì)了解它的特性、應(yīng)用及設(shè)計要點。

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二、產(chǎn)品概述

2.1 基本特性

MAX1682/MAX1683 是超小型的單片 CMOS 電荷泵電壓倍增器，輸入電壓范圍為 +2.0V 至 +5.5V。其具有高達(dá) 98% 以上的電壓轉(zhuǎn)換效率，MAX1682 的靜態(tài)電流僅為 110μA，非常適合電池供電和板級電壓倍增應(yīng)用。芯片內(nèi)部集成了振蕩器控制電路和四個功率 MOSFET 開關(guān)，MAX1682 工作頻率為 12kHz，MAX1683 工作頻率為 35kHz。

2.2 封裝與輸出能力

這兩款器件均采用 5 引腳 SOT23 封裝，可提供 30mA 的輸出電流，典型壓降為 600mV。

三、產(chǎn)品特性詳解

3.1 封裝與輸入電壓范圍

采用 5 引腳 SOT23 封裝，體積小巧，便于在 PCB 上布局。輸入電壓范圍為 +2.0V 至 +5.5V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。

3.2 轉(zhuǎn)換效率與靜態(tài)電流

高達(dá) 98% 的電壓轉(zhuǎn)換效率，可有效減少能量損耗。MAX1682 的靜態(tài)電流為 110μA，低功耗特性使得其在電池供電設(shè)備中表現(xiàn)出色。

3.3 電容需求

僅需兩個電容即可工作，簡化了電路設(shè)計。

3.4 輸出電流能力

最大可提供 45mA 的輸出電流，能滿足一些小型負(fù)載的供電需求。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 小型 LCD 面板

可為小型 LCD 面板提供合適的電源，保證其正常顯示。

4.2 手機(jī)

在手機(jī)等移動設(shè)備中，可用于電壓倍增，滿足特定電路的供電需求。

4.3 手持終端和 PDA

為手持終端和 PDA 設(shè)備的相關(guān)電路提供穩(wěn)定的電壓。

五、電氣特性

5.1 絕對最大額定值

• IN 到 GND 的電壓范圍為 +6V 至 -0.3V。
• OUT 到 GND 的電壓范圍為 +12V 或 VIN - 0.3V。
• 輸出電流最大為 50mA。
• 輸出短路持續(xù)時間為 1 秒。

  5.2 工作溫度范圍

  MAX1682EUK/MAX1683EUK 的工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C，結(jié)溫最高為 +150°C，存儲溫度范圍為 -65°C 至 +160°C。

  5.3 電氣參數(shù)

  在不同條件下，其無負(fù)載電源電流、電源電壓范圍、振蕩器頻率、輸出電阻和電壓轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)會有所不同。例如，在 (V{IN}=+5.0V)，(T{A}=+25^{circ}C) 時，MAX1682 的無負(fù)載電源電流典型值為 110μA，振蕩器頻率為 12kHz。

六、典型工作特性

6.1 輸出電阻與溫度、電壓的關(guān)系

從典型工作特性圖中可以看出，輸出電阻會隨著溫度和輸入電壓的變化而變化。例如，MAX1682 在不同輸入電壓下，輸出電阻會有所不同，且隨著溫度升高，輸出電阻也會發(fā)生變化。

6.2 輸出電壓紋波與輸出電流的關(guān)系

輸出電壓紋波會隨著輸出電流的增加而變化，合理選擇電容值可以降低輸出電壓紋波。

6.3 振蕩器頻率與溫度的關(guān)系

振蕩器頻率也會受到溫度的影響，在不同溫度下，MAX1682 和 MAX1683 的振蕩器頻率會有所波動。

七、引腳描述

八、詳細(xì)工作原理

8.1 電壓倍增原理

在第一個半周期，開關(guān) S1 和 S2 閉合，電容 C1 充電至 VIN；在第二個半周期，S1 和 S2 斷開，S3 和 S4 閉合，C1 的電壓升高 VIN 伏，將能量傳遞給輸出端。但由于開關(guān)電阻和負(fù)載的影響，實際輸出電壓略低于 2 x VIN。

8.2 輸出電阻與電壓降

MAX1682/MAX1683 具有約 20Ω 的輸出電阻，隨著負(fù)載電流的增加，輸出電壓會下降，下降值 (VDROOP = IOUT x RS)，實際輸出電壓 (VOUT = 2 × VIN - VDROOP)。

8.3 效率考慮

功率效率受三個因素影響：轉(zhuǎn)換器 IC 的內(nèi)部損耗、電容的電阻損耗和電容間電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)換損耗。總功率損耗為內(nèi)部損耗、泵電容損耗和轉(zhuǎn)換損耗之和。

九、電容選擇

9.1 飛跨電容（C1）

為保持最低輸出電阻，應(yīng)選擇低 ESR 的電容。推薦的電容制造商有 AVX、Matsuo、Sprague 等。不同型號的器件建議的電容值不同，如 MAX1682 推薦 10μF，MAX1683 推薦 3.3μF。增大飛跨電容可降低輸出阻抗，提高效率，但超過一定值后，增加電容值對輸出電阻的影響不大。

9.2 輸出電容（C2）

增加輸出電容可降低輸出紋波電壓，降低其 ESR 可同時降低輸出電阻和紋波。對于輕負(fù)載，可使用較小的電容值。可使用公式 (VRIPPLE = IOUT /(fosc × C 2)+2 × IOUT × ESRC2) 計算峰 - 峰紋波。

9.3 輸入旁路電容

使用 0.1μF 的旁路電容可降低輸入電源的交流阻抗，減少開關(guān)噪聲的影響。

十、級聯(lián)與并聯(lián)應(yīng)用

10.1 級聯(lián)

多個器件級聯(lián)可產(chǎn)生更高的電壓，空載輸出電壓約為 (n + 1) x VIN，但輸出電阻會增加。例如，兩級電壓倍增器的輸出電阻可近似為 (ROUT = 2 × ROUT1 + ROUT2)。

10.2 并聯(lián)

并聯(lián)多個 MAX1682 或 MAX1683 可降低輸出電阻，每個器件需要自己的泵電容（C1），但共用一個儲能電容（C2），C2 的值應(yīng)根據(jù)并聯(lián)器件的數(shù)量相應(yīng)增加。

十一、布局與接地

良好的布局對于降低噪聲至關(guān)重要。應(yīng)將所有組件盡可能靠近安裝，縮短走線長度以減少寄生電感和電容，并使用接地平面。

十二、總結(jié)

MAX1682/MAX1683 開關(guān)電容電壓倍增器以其高效、小尺寸和低功耗的特性，在電池供電和板級電壓倍增應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。在設(shè)計電路時，合理選擇電容、注意布局和接地等要點，可以充分發(fā)揮其性能。各位工程師在實際應(yīng)用中，不妨根據(jù)具體需求進(jìn)行嘗試，看看它能為你的設(shè)計帶來怎樣的效果。你在使用類似電壓倍增器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享。