LM27761：低噪声稳压开关电容式电压逆变器（下）
LM27761是一款稳压电荷泵电压转换器，能够将2.7 V至5.5 V的正电压转换为-1.5 V至-5 V范围内的负电压。该设备内置负向低压差线性稳压器（LDO），提供低噪声、低输出纹波、高电源抑制比（PSRR）以及良好的负载和线路瞬态响应。通过外部增益设置电阻，可对输出电压进行灵活配置。LM27761使用四只低成本陶瓷电容器即可实现最大250 mA的输出电流。
应用概述
LM27761是一款低噪声电荷泵电压转换器，能够将输入电压（2.7 V至5.5 V）转换为负输出电压，该电压可通过外部增益电阻进行调节。该器件采用四个低成本电容器实现高至250 mA的输出电流。其工作频率为2 MHz，在高负载条件下可有效降低电荷泵的输出电阻和纹波。典型工作电流为370 µA，关断电流则低至7 µA，使其成为电池供电应用的理想选择。
典型应用 —— 稳压逆变器
图1展示了LM27761在稳压逆变器中的典型应用。
设计需求
以下是LM27761在典型应用中的一些关键设计参数：
- 输入电压范围：2.7 V至5.5 V
- 输出电压范围：-1.5 V至-5 V
- 输出电流范围：0 mA至250 mA
- 开关频率：2 MHz
详细设计流程
1. 使用WEBENCH®工具进行定制化设计
访问WEBENCH Power Designer，输入所需的输入电压（VIN）、输出电压（VOUT）和输出电流（IOUT）进行定制化设计。
通过优化拨盘，可针对效率、尺寸和成本等关键参数进行优化。生成的设计方案可与TI其他解决方案进行对比。WEBENCH工具提供定制化原理图、元件清单（含实时价格和供货状态），并支持以下功能：
- 执行电气仿真，观察电路波形和性能
- 进行热仿真，评估PCB上的热分布
- 导出原理图和布局为常见CAD格式
- 生成PDF设计报告并分享给团队
更多信息可访问：www.ti.com/WEBENCH
2. 电荷泵电压逆变器
LM27761的核心应用是生成稳定的负电源电压。其电压逆变器电路仅需三只外部电容，而LDO稳压器则需额外的一只输出电容。
该逆变器由四只大型CMOS开关组成，它们按预定顺序切换，以实现电压逆变。外部电容用于能量存储和传输。图2展示了在不同开关状态下的电荷转移过程。当S2和S4断开时，C1对C3充电；而在S1和S3断开、S2和S4闭合时，C3两端形成与VIN大小相等但极性相反的电压。当负载电流增加时，输出电压将因MOSFET的导通电阻和电容的ESR而下降。
图2展示了电压逆变的工作原理。
输出特性可视为一个理想电压源与输出电阻ROUT的串联，其中ROUT由导通电阻、电容值、振荡频率及ESR共同决定。C1的ESR在输出电阻中被放大四倍，而C3的ESR则仅计算一次。电荷泵的输出电阻可近似表示如下：
其中，RSW为内部MOSFET开关的总导通电阻。
选择高容值、低ESR的陶瓷电容可有效降低输出电阻。
3. 负压低压差线性稳压器（LDO）
LM27761在逆变器输出端集成了一个LDO稳压器，最大输出电流为250 mA。此LDO有助于实现极低的噪声输出、低电压纹波、高PSRR以及良好的负载和线路瞬态响应。
4. 功耗管理
任何封装的功耗能力取决于其将热量从芯片传递至散热器及周围环境的效率，这与环境温度和热阻密切相关。
最大允许功耗可由下式计算：
实际功耗则可用下式表示：
公式2和3可用于确定在热设计条件下器件的电压降和连续电流能力。
在低功耗应用中，环境温度可能上升；而在高功耗条件下，则需对环境温度进行降额。TA-MAX可通过以下公式估算：
其中：
- TJ-MAX-OP = 最大工作结温（125°C）
- PD-MAX = 最大允许功耗
- RθJA = 封装的结到环境热阻
如无法降低TA-MAX，则需通过降低输入电压或输出电流来减少功耗。
5. 输出电压设置
LM27761的输出电压可通过外部电阻R1和R2进行设定。输出电压计算公式如下：
建议R2值不小于50 kΩ。
6. 外部电容器选择
LM27761需要四只外部电容以实现正常工作。推荐使用表面贴装多层陶瓷电容（MLCC），因其具备小体积、低成本以及低ESR（通常≤15 mΩ）等优势。钽电容、OS-CON电容及电解电容通常不推荐使用，因其ESR较高。
对于大多数应用，X7R和X5R特性陶瓷电容更为合适，因其在宽温度范围内具备高容值稳定性。相比之下，Y5V和Z5U电容由于容值偏差大且温度敏感度高，通常不建议使用。
陶瓷电容的容值会随直流偏置电压升高而下降，可能影响输入和输出纹波表现。为最小化此类影响，建议在低于电容额定电压的条件下使用。
Texas Instruments建议在设计初期对电容选择进行充分评估，并确保批量生产所用电容满足性能要求。
① 电荷泵输出电容
推荐使用4.7 μF、低ESR的陶瓷电容作为电荷泵输出电容（C3）。根据应用需求，也可选择其他容值以优化性能、尺寸或成本。但调整输出电容可能需要相应调整飞跨电容或输入电容。
在高电流应用中，建议使用10 μF、10 V、低ESR的陶瓷电容。若使用容值较小的输出电容，可能会在PFM与恒频模式切换时导致输出纹波增加。为避免此问题，建议至少使用2 μF电容。
② 输入电容
输入电容（C2）在电荷转移阶段起着关键作用，可稳定输入电压并减少噪声干扰。
输入电容直接影响输入纹波幅度。提升（或减少）输入电容将成比例降低（或提升）输入电压纹波。
在典型应用中，建议在输入端使用4.7 μF、低ESR陶瓷电容。在最大负载条件下，考虑直流偏置效应，建议输入电容至少为2 μF。
③ 飞跨电容
飞跨电容（C1）负责在输入端与输出端之间传输电荷，其大小直接影响输出电流能力及纹波。
在大电流应用中，建议选用0.47 μF或1 μF、10 V、低ESR的陶瓷电容。严禁使用极化电容，如钽电容或电解电容，以免在工作时发生反向偏置。
④ LDO输出电容
LDO输出电容（C4）对系统的稳定性、输出纹波、噪声、PSRR及瞬态响应均有重要影响。LM27761在使用2.2 μF陶瓷电容时即可实现稳定运行。
为优化性能，建议将该电容尽可能靠近输出引脚放置。
电源建议
LM27761的输入电源应处于2.7 V至5.5 V范围内，并具备良好的调节能力。若输入电源距离较远，除陶瓷旁路电容外，还应考虑增加额外的去耦电容。
PCB布局建议
由于LM27761具有高开关频率和大开关电流，其PCB布局对性能影响显著。建议采取以下措施以确保系统稳定运行：
- 将输入电容（CIN）尽可能靠近VIN和GND引脚，以减小电感电压尖峰。
- 将电荷泵输出电容（CCPOUT）靠近VOUT和GND引脚，并与CIN在GND处共点连接。
- 飞跨电容（C1）应靠近C1+和C1-引脚。
- 输出电容（COUT）应靠近VOUT引脚，并通过热垫连接至GND。
- 反馈电阻R1和R2应靠近VFB引脚，并确保R2的GND连接至散热垫。
- 避免使用长线、窄线或过孔连接，以减少寄生效应。