使用MAX17291升壓轉(zhuǎn)換器IC從正輸入電壓產(chǎn)生負輸出電壓，具有有源放電特性

本應(yīng)用筆記解釋了如何使用MAX17291從正輸入電壓產(chǎn)生負電壓，用于LCD顯示器、柵極驅(qū)動器等應(yīng)用。它還包括有關(guān)實現(xiàn)主動放電功能的信息。

介紹

許多應(yīng)用需要電源提供負電壓，例如LCD顯示器、柵極驅(qū)動器、嵌入式應(yīng)用、運算放大器電路等。本應(yīng)用筆記說明如何使用MAX17291升壓轉(zhuǎn)換器IC從正輸入電壓產(chǎn)生負輸出電壓。

MAX17291為低靜態(tài)升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有1A峰值電感電流限值和真關(guān)斷?.真關(guān)斷將輸出與輸入斷開，無正向或反向電流。輸出電壓由一個外部電阻分壓器設(shè)定。MAX17291 IC可以工作在1.8V至5.5V輸入電源，輸出高達20V。

特征

來自輸入端的 28μA 靜態(tài)電源電流

輸出短路保護

過熱保護

CCM 中的恒定頻率

真正的關(guān)斷模式

91% 峰值效率

1.8V至5.5V輸入范圍

5.5V至20V輸出電壓范圍

1A 峰值電感器電流限制

多種封裝選項

1.27mm x 0.87mm，6 凸塊 （3 x 2），0.4mm 間距 WLP

2 毫米 x 2 毫米，8 引腳 TDFN

-40°C 至 +125°C 工作溫度范圍

性能

圖1.MAX17291效率與負載電流的關(guān)系（V外= 12V）。

應(yīng)用電路

圖2.采用MAX12的17291V升壓轉(zhuǎn)換器。

MAX17291升壓轉(zhuǎn)換器IC的工作原理

升壓轉(zhuǎn)換器電路采用MAX1 IC提供8.5V至5.12V輸入和17291V輸出電壓，如圖2所示。MAX17291升壓轉(zhuǎn)換器具有兩種工作模式：輕負載效率和脈寬調(diào)制（PWM）。在輕負載模式下，該器件以脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 工作，以提高輕負載時的效率。在這種模式下，導(dǎo)通時間由500mA的峰值電感電流限值決定。一旦電感電流達到其限值，導(dǎo)通時間終止，功率二極管正向偏置。在PWM模式下，轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）的負載電流水平下使用準(zhǔn)恒定的1.0MHz開關(guān)頻率脈寬調(diào)制（PWM）。根據(jù)輸入電壓與輸出電壓之比，電路預(yù)測所需的關(guān)斷時間。在CCM模式下，升壓轉(zhuǎn)換器的占空比由下式給出。

使用通用升壓轉(zhuǎn)換器的負電壓

使用通用升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生負電壓的電路如圖3所示。如圖所示，從升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點使用電荷泵電路來產(chǎn)生所需的負電壓。

圖3.使用升壓轉(zhuǎn)換器的負電壓示意圖。

負電壓電路的工作原理

對于上述電路，反饋來自升壓轉(zhuǎn)換器的輸出，以保持負輸出電壓恒定。在穩(wěn)態(tài)條件下，當(dāng)開關(guān)Q1關(guān)斷時，電感電壓反轉(zhuǎn)，Q1 FET兩端的電壓等于輸入電壓和電感電壓。Q1開關(guān)兩端的電壓由下式確定。

VQ1= VIN+ VL= VOUT+ VD1

電流開始通過二極管D1從電感流向COUT1，通過R-CHG和二極管D2從電感流向C-CHG。電容器 COUT1 和 C_CHG 在此期間充電。C-CHG兩端的電壓由下式給出。

VOUT+ VD1= VR-CHG+ VC-CHG
VC-CHG= VOUT+ VD1- VRCHG- VD2

Q1關(guān)斷狀態(tài)下的電流如圖4所示。

圖4.Q1 OFF期間的電流。

在Q1關(guān)斷時間結(jié)束時，當(dāng)Q1導(dǎo)通時，Q1的漏極幾乎被拉至地。二極管D2變?yōu)榉聪蚱?，二極管D3變?yōu)檎蚱?。一旦二極管D3正向偏置，電流開始通過R-CHG和二極管D2從COUT3電容流出。這似乎會導(dǎo)致電容器COUT2上相對于地的負電壓。

COUT2兩端的電壓由下式給出。

-VCCHG+ V中新華集團= V庫特2， wD3
V庫特2= -VCCHG+ V中新華集團+ VD3

Q1導(dǎo)通狀態(tài)下的電流如圖5所示。

圖5.電流在Q1導(dǎo)通時間內(nèi)流動。

連接 R-CHG 電阻以限制通過 MOSFET Q1 和二極管 D2 和 D3 的峰值電流。在 1 之間選擇？到 2.2？對于 R-CHG 電阻的值。如果R-CHG電阻值過高，則R-CHG兩端的電壓在較高負載時增加，從而降低C-CHG和COUT2兩端的電壓。如果R-CHG電阻值太低，則負電壓在較低負載條件下增加，因為沒有要控制的負電壓檢測。

使用MAX17291升壓轉(zhuǎn)換器IC產(chǎn)生負電壓

設(shè)計規(guī)范

輸入：2.5V 至 5.5V

輸出電壓：-11V

使用MAX17291 IC的優(yōu)勢

更小的解決方案尺寸，具有內(nèi)部升壓 MOSFET 和二極管（1.27mm x 0.87mm WLP 封裝）

可實現(xiàn)寬范圍的負輸出電壓

可在 1.8V 的較低輸入電壓下工作

MAX17291升壓轉(zhuǎn)換器IC具有內(nèi)部升壓MOSFET、二極管和控制電路。電荷泵電路連接到MAX17291 IC的LX開關(guān)節(jié)點，產(chǎn)生負電壓。使用MAX17291 IC的負電壓原理圖如圖6所示。

圖6.使用MAX17291 IC產(chǎn)生負電壓

所需的負輸出電壓是通過在升壓的輸出電壓上設(shè)置反饋網(wǎng)絡(luò)電路來實現(xiàn)的。因此，與正常正電壓相比，圖6原理圖中的負載調(diào)節(jié)性能略有松動，因為電荷耦合通過電容C-CHG。MAX17291的開關(guān)工作基于輸入電壓和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。在整個操作過程中必須保持穩(wěn)定的輸出電壓。這是使用IC的OUT引腳和地上的虛擬電阻完成的。這將充當(dāng)虛擬負載以保持正輸出電壓恒定，這可能會在一定程度上增加負電壓的調(diào)節(jié)。

電路的負載調(diào)整率和效率性能如下圖所示。

圖7.負載調(diào)整率與輸出電流的關(guān)系

圖8.效率與輸出電流的關(guān)系

2.5Vin 和 -11Vout 條件下的負載瞬態(tài)性能

圖9.負載瞬態(tài)性能，無需運算放大器。

條件：Vin= 2.5V， Vout= -11V， Iout= 30mA 至 5mA

由于負載瞬變，電壓變化約為~392mV （3.56%）。輸出電壓在波形中偏移 -10V。

波形：黃色 = Vin， 藍色 = Vout， 粉紅色 = V，綠色 = Iout

圖10.負載瞬態(tài)性能，無需運算放大器。

條件：Vin= 2.5V， Vout= -11V， Iout= 30mA 至 5mA

由于負載瞬變，電壓變化約為~370mV （3.36%）。輸出電壓在波形中偏移 -10V。

波形：黃色 = Vin， 藍色 = Vout， 粉紅色 = V，綠色 = Iout

改善負電壓電路的負載調(diào)整率和瞬態(tài)性能

通過直接檢測負輸出電壓，可以改善前一個電路的負電壓負載調(diào)節(jié)和瞬態(tài)性能。然后使用Maxim的MAX44244AUK+運算放大器將反饋發(fā)送到IC，用于檢測負電壓。運算放大器的輸出用于驅(qū)動FB引腳，該引腳針對負載和線路瞬變調(diào)節(jié)負輸出電壓。以下是使用運算放大器的負電壓反饋原理圖。

圖 11.負電壓反饋采用帶運算放大器的MAX17291 IC

以下是使用運算放大器電路的負電壓的負載調(diào)整率和瞬態(tài)性能的表示。

圖 12.負載調(diào)整率與使用運算放大器電路的輸出電流的關(guān)系

圖 13.效率與輸出電流的關(guān)系 使用運算放大器電路。

圖 14.使用運算放大器電路的負載瞬態(tài)性能。

條件：Vin= 2.5V， Vout= -11V， Iout= 30mA 至 5mA

負載瞬態(tài)引起的電壓變化約為~62mV （0.56%）。輸出電壓在波形中偏移 -10V。

波形：黃色 = Vin， 藍色 = Vout， 粉紅色 = V，綠色 = Iout

圖 15.使用運算放大器電路的負載瞬態(tài)性能。

條件：Vin= 2.5V， Vout= -11V， Iout= 30mA 至 5mA

負載瞬態(tài)引起的電壓變化約為~72mV （0.65%）。輸出電壓在波形中偏移 -10V。

波形：黃色 = Vin， 藍色 = Vout， 粉紅色 = V，綠色 = Iout

如圖7–15所示，與不使用運算放大器的電路相比，使用運算放大器的負電壓電路具有非常嚴(yán)格的調(diào)節(jié)和良好的瞬態(tài)性能。

性能比較

基于上述結(jié)果，帶運算放大器的負電壓解決方案具有良好的負載調(diào)節(jié)和效率性能。

圖 16.負載調(diào)節(jié)性能比較。

圖 17.效率性能比較。

主動放電功能的實現(xiàn)

在圖11中，有源放電電路由電阻R13至R16、電容C11和P-MOS Q1組成。當(dāng)使用EN引腳（EN = 0V）禁用IC時，電阻R15和R16變?yōu)椴⒙?lián)，Q1的電壓Vgs大于閾值電壓。因此，MOSFET Q1 導(dǎo)通。有源放電功能拉動由COUT2電容累積的全部電荷，并轉(zhuǎn)儲到電阻R13中。負電壓立即降低到較小的值。當(dāng)IC使能時，柵極和源極兩端的電壓小于閾值，MOSFET Q1關(guān)斷。放電電阻的值可以根據(jù)COUT2電容器所需的放電時間進行選擇。

主動放電的操作如下圖所示。

圖 18.主動放電功能。

結(jié)論

負輸出電壓由MAX17291 IC的正輸入電壓產(chǎn)生。用戶可以通過增加運算放大器電路并在負輸出電壓電路中實現(xiàn)有源放電功能來改善負輸出電壓的負載調(diào)整率和瞬態(tài)性能。

審核編輯：郭婷