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稳压输出的升/降压式电荷泵
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MAX1759Up/Down Charge Pump MAX1759 with Stable
Output
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■北京航空航天大学 方佩敏
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MAX1759是一种输出稳压的升压/降压式电荷泵电路。该器件主要特点有:输入电压范围1.6 5.5V，可输出稳压的3.3V或可由用户设定的2.5V到5.5V;输出电流可达100mA;静态电流低，降压式为50
A，升压式为85 A，有关闭电源控制，在关闭状态时耗电典型值为1 A;并且负载与输入端是断开的，内部振荡器工作频率为1.5MHz，因此可采用小尺寸贴片陶瓷电容;有电源工作状态("电源OK")信号输出;有软启动，可减小上电时的冲击电流影响;内部有短路保护及过热关闭保护及低压锁存保护;小尺寸10管脚
MAX封装;工作温度范围-40℃ +85℃。由于它具有上述特点，特别适用于1节锂离子电池或2 3节镍氢、镍镉或碱性电池供电的小型便携式电子产品应用。
结构框图与工作原理
MAX1795的结构框图与外接泵电容Cx如图1所示，它主要由4个模拟开关S1 S4，1.5MHz振荡器、升/降压控制器、偏置电路、3个比较器P1
P3、RS触发器、固定输出的电阻分压器(R1、R2、RS触发器，固定输出的电阻分压器(R1、R2)，反相器及开漏输出N沟道MOSFET等组成。本图主要说明其工作原理，图中省略了软启动、保护电路及低压锁存电路。
1.升压或降压控制
MAX1759有独特的电荷泵结构，允许输入电压高于或低于稳压的输出电压。内部电路能检测NIN及VOUT，并决定输入的电压必须是升压还是降压来产生所需要的稳压输出。当VIN低于VOUT时，电荷泵调节成倍压器;当VIN高于VOUT时，电荷泵被调节成降压控制开关，为了清楚地说明如何完成升压及降压功能，将是这部分电路单独地显出来，并且先不考虑稳压电路。
当MAX1759检测到VIN低于VOUT，电荷泵电路工作于升压式，S1开关在下，S2开关在上，则输入电压VIN经过S2、S1向电容Cx充电(充电到VIN)。若S1开关在上，S2开关在下，则输入电压VIN与电容Cx上的电压叠加后向电容COUT充电。当S1、S2以1.5MHz的频率开关时，在输出端VOUT的电压接近2VIN(不考虑稳压电路的作用)。
当MAX1759检测到VIN高于VOUT时，它调节成降压式。若不考虑稳压电路的作用，VOUT输出接近VIN。
在降压式时，开关S1一直在下，而S2可以上、下开关动作。所以开始时，电容Cx充电，Cx上的电压接近VIN，在控制器的控制下S2开关向下(S1开关不动)，则Cx上电压向COUT充电。S2开关以1.5MHz频率动作，输出端电压VOUT≈VIN。
2.固定3.3V稳压输出控制
上述的升压使输出VOUT≈2VIN，降压使VOUT≈2VIN，并不是要求输出的稳定电压。输出固定的3.3V稳定电压还需要加上反馈及控制电路。同时，FB端要接地。
不管是升压或降压式，未经稳压时，其输出电压都大于要求的3.3V，而是通过连接在输出端的分压器电阻R1，R2，比较器P2，来控制振荡器以实现稳压输出。例如，在降压式(VIN≥VOUT)运行时，若负载电流很大而使输出电压跌落时，它自动转为升压式，提供更大的电流以保持输出稳定。若输出电流很小使输出电压上升，则R1，R2输出低电平，使振荡器停振，则输出电压由于无电荷泵的输送，电压将下降。当它下降到一定值，电阻分压器的电压低于1.235V基准电压，P2输出高电平，振荡器工作，通过控制器使电荷泵输出电荷而输出电压又上升。通过这种反馈及控制振荡器的振荡及停振来实现输出电压的稳定。
由于这种电荷泵电路的振荡器是间歇地工作，其用作开关的MOSFET的导通电阻较小，在降压式时仅一个开关工作。所以它的静态电流很小，仅50
A(但工作频率达1.5MHz)，这是一个很大的特点。
3.可调整电压输出
MAX1759是双模式制:既可输出固定的3.3V电压，也可由用户外设两个电阻R3、R4来设定输出电压，如图2所示。
当需要输出电压不是固定的3.3V时，FB端接一个R3、R4组成分压器。由于FB端的电压大于0.1V，使比较器P1的输出为高电平。这高电平使开关S4闭合，并通过反相器后输出低电平，使开关S3断开。则P2的反相端接入外接分压器，其输出电压由R3、R4的分压比来确定。输出电压VOUT与分压器R3、R4的关系为:
VOUT=1.235V(1+R3/R4)
式中1.235V为比较器P2的基准电压。
这里必须指出，在轻载时，VIN高于VOUT时，MAX1759采用降压式。但在重负载时，MAX1759将自动地转为升压式，以保证输出电压的稳定。
4.电源工作状态信号(POK)输出
当输出电压过低而超差时，FB端的电压低于1.1V(或内部的分压器电压低于1.1V)，使比较器P3输出低电平，从而使RS触发器输出高电平，MOSFET导通，POK端输出为低电平(表示电源电压过低，已超差)，此信号一般输入微处理器或微控制器(见图3)。
当电源输出电压正常时，P3输出高电平，RS触发器输低电平，MOSFET截止，POK端输出高电平，表示"电源OK"(Power
OK)。
由于POK输出是开漏结构，外部需接一个上拉电阻到VOUT端，上拉电阻的阻值在10k 1M 之间选取。若不用此功能时，POK端可接地或悬空。在关闭电源时(SHDN端接低电平)，POK端呈高阻抗。
典型应用电路
1. 3.3V固定输出电路
3.3V固定输出电路如图4所示，其精度可达3.3V 0.13V。CIN、COUT及Cx容量与输出电流大小有关。
在输出电流为100mA时，CIN 、COUT及Cx可以用不同的值，但输出纹波电压是随着电容量的增加而减小的;并且也可以看出输入电压高时，纹波电压小。这一点在选用电容量及输入电压时要注意纹波电压的要求。
CIN、Cx及COUT可采用贴片式多层陶瓷电容量，它不仅尺寸小，并且等效串联电阻(ESR)小于0.1 。若采用10 F的钽电容时，则最好再并联一个1
F的贴片式多层陶瓷电容。
2.可调整输出电路
可调整输出电路如图5所示。图中输入电压为1.6V 5.5V，输出电压为2.5V/100mA。在确定分压器电阻R1、R2时，可选设定R2=75K
（或选R1=50k 到100k 之间选值)，然后按下式求出R1值。
R1=R2[(VOUT/1.235V)-1]
按VOUT=2.5V，可求出R1=76.8k 。电阻可取1%精度的为好。
若全部采用贴片式元件,整个电源可做得很小。
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