LM27762輸出負(fù)壓不正常的故障分析與解決方案

LM27762是德州儀器（TI）推出的一款低噪聲、高效能雙通道升壓轉(zhuǎn)換器芯片，其核心功能是通過電荷泵和LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）組合實(shí)現(xiàn)±1.5V至±5V的可調(diào)正負(fù)電壓輸出。該芯片廣泛應(yīng)用于音頻放大器、傳感器供電、運(yùn)放偏置等對噪聲敏感的場景。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，用戶常遇到負(fù)電壓輸出異常的問題，如無輸出、輸出電壓偏低或不穩(wěn)定等。本文將結(jié)合技術(shù)文檔、用戶反饋及實(shí)際案例，系統(tǒng)分析LM27762負(fù)壓輸出故障的根源，并提供分階段的解決方案。

一、LM27762負(fù)壓輸出原理與關(guān)鍵參數(shù)

LM27762的負(fù)壓生成機(jī)制基于電荷泵和LDO的協(xié)同工作：電荷泵通過開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)將輸入電壓反相，生成初步的負(fù)電壓；隨后，負(fù)電壓LDO對反相后的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，降低紋波和噪聲。這一過程涉及以下關(guān)鍵參數(shù)：

1. 輸入電壓范圍：2.7V至5.5V。若輸入電壓低于2.7V，電荷泵可能無法正常啟動(dòng)；若高于5.5V，可能觸發(fā)過壓保護(hù)。

2. 輸出電流能力：±250mA。負(fù)載電流超過此值時(shí)，輸出電壓會(huì)因壓降而下降。

3. 開關(guān)頻率：2MHz（典型值）。高頻設(shè)計(jì)可減小外部元件尺寸，但對PCB布局的寄生參數(shù)更敏感。

4. LDO壓降：負(fù)壓LDO在100mA負(fù)載下壓降為30mV（VOUT=-5V時(shí)），正壓LDO壓降為45mV（VOUT=5V時(shí)）。

二、負(fù)壓輸出異常的常見現(xiàn)象與初步排查

1. 無負(fù)壓輸出

• 現(xiàn)象：正壓輸出正常，負(fù)壓端電壓為0V或接近0V。

• 可能原因：

• 電荷泵電容（如C1）未正確連接或容值不足。

• 負(fù)壓LDO的使能引腳（EN-）未正確配置。

• PCB布局問題導(dǎo)致電荷泵節(jié)點(diǎn)電壓異常。

• 排查步驟：

1. 確認(rèn)電荷泵電容（通常為1μF陶瓷電容）是否焊接正確，且未使用極性電容（如鉭電容）。

2. 檢查EN-引腳是否接至有效電平（高電平或低電平，取決于設(shè)計(jì)需求）。

3. 使用示波器測量電荷泵節(jié)點(diǎn)（如CP引腳）的波形，確認(rèn)其是否為方波（頻率約2MHz）。

2. 負(fù)壓輸出電壓偏低

• 現(xiàn)象：負(fù)壓輸出值低于設(shè)定值（如-2.5V輸出僅為-1.8V）。

• 可能原因：

• 反饋電阻分壓網(wǎng)絡(luò)配置錯(cuò)誤。

• 負(fù)壓LDO的負(fù)載電流超過其能力。

• 輸入電壓接近下限（如2.7V），導(dǎo)致電荷泵效率下降。

• 排查步驟：

1. 核對反饋電阻（RFB1、RFB2）的阻值是否符合數(shù)據(jù)手冊推薦值（如輸出-5V時(shí)，分壓比應(yīng)為150kΩ/475kΩ）。

2. 減小負(fù)載電流，觀察輸出電壓是否恢復(fù)。

3. 提高輸入電壓至5V，驗(yàn)證輸出是否正常。

3. 負(fù)壓輸出不穩(wěn)定（抖動(dòng)或噪聲）

• 現(xiàn)象：負(fù)壓輸出電壓隨時(shí)間波動(dòng)，或存在高頻噪聲。

• 可能原因：

• 電容ESR（等效串聯(lián)電阻）過高。

• PCB布局中電荷泵路徑的寄生電感過大。

• 輸入電源存在開關(guān)噪聲。

• 排查步驟：

1. 將所有輸出電容更換為低ESR的陶瓷電容（如X7R材質(zhì)）。

2. 檢查PCB布局，確保電荷泵電容靠近芯片引腳，且走線盡可能短。

3. 在輸入端添加LC濾波器（如10μH電感+10μF陶瓷電容），抑制開關(guān)噪聲。

三、深入分析：電荷泵與LDO的協(xié)同工作機(jī)制

LM27762的負(fù)壓輸出依賴于電荷泵和LDO的緊密配合。電荷泵通過開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)將輸入電壓反相，其輸出電壓可表示為：

其中，C1 和 C2 為電荷泵電容。若電容值不匹配或ESR過高，會(huì)導(dǎo)致 VCP 偏離理論值。隨后，負(fù)壓LDO將 VCP 穩(wěn)壓至目標(biāo)輸出電壓，其穩(wěn)壓精度受反饋電阻和負(fù)載電流影響。

1. 電荷泵電容的選擇

• 容值：數(shù)據(jù)手冊推薦使用1μF陶瓷電容（X5R或X7R材質(zhì)）。若使用鉭電容，可能因極性反轉(zhuǎn)導(dǎo)致失效。

• ESR：應(yīng)低于1Ω，以避免電荷泵效率下降。

• 布局：電容應(yīng)盡可能靠近芯片的CP引腳，且走線寬度不小于0.3mm。

2. 負(fù)壓LDO的反饋網(wǎng)絡(luò)

• 分壓電阻：輸出電壓由 VOUT=?1.225×(1+RFB2RFB1) 決定。若電阻值偏差超過1%，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓偏離。

• 負(fù)載調(diào)整率：在100mA負(fù)載下，輸出電壓變化應(yīng)小于50mV。若變化過大，需檢查LDO的壓降是否足夠。

四、實(shí)際案例分析與解決方案

案例1：負(fù)壓無輸出，正壓正常

• 問題描述：輸入5V，正壓輸出4.8V，負(fù)壓輸出0V。

• 排查過程：

1. 測量電荷泵節(jié)點(diǎn)電壓，發(fā)現(xiàn)無方波信號。

2. 檢查電荷泵電容（C1）為極性鉭電容，更換為1μF陶瓷電容后，負(fù)壓輸出恢復(fù)至-4.3V。

3. 調(diào)整反饋電阻至150kΩ/475kΩ，輸出電壓穩(wěn)定在-5V。

• 結(jié)論：極性電容的反向電壓導(dǎo)致電荷泵失效。

案例2：負(fù)壓輸出不穩(wěn)定，伴隨鳴叫

• 問題描述：負(fù)壓輸出在-4.5V至-5V之間波動(dòng)，且芯片發(fā)出高頻鳴叫。

• 排查過程：

1. 使用示波器觀察輸出電容的電壓紋波，發(fā)現(xiàn)100kHz噪聲。

2. 更換輸出電容為低ESR陶瓷電容后，噪聲消失，但負(fù)壓仍不穩(wěn)定。

3. 檢查PCB布局，發(fā)現(xiàn)電荷泵電容與芯片引腳之間的走線長度超過5mm?？s短走線后，輸出穩(wěn)定。

• 結(jié)論：寄生電感導(dǎo)致電荷泵效率下降，引發(fā)振蕩。

案例3：負(fù)壓輸出隨輸入電壓變化

• 問題描述：輸入電壓從3.6V升至5V時(shí)，負(fù)壓輸出從-2.2V升至-2.5V。

• 排查過程：

1. 測量電荷泵節(jié)點(diǎn)電壓，發(fā)現(xiàn)其隨輸入電壓線性變化。

2. 檢查反饋電阻分壓比，發(fā)現(xiàn)RFB1和RFB2的阻值偏差達(dá)5%。

3. 更換為高精度電阻（1%誤差）后，輸出電壓穩(wěn)定。

• 結(jié)論：反饋電阻精度不足導(dǎo)致輸出電壓隨輸入電壓漂移。

五、優(yōu)化設(shè)計(jì)與預(yù)防措施

1. PCB布局優(yōu)化

• 電荷泵路徑：確保CP引腳與電荷泵電容之間的走線盡可能短，且避免與其他高頻信號線交叉。

• 電源和地平面：使用完整的地平面，并盡量減少過孔數(shù)量。

• 散熱設(shè)計(jì)：在芯片下方鋪銅，并增加散熱過孔。

2. 元件選型建議

• 電容：全部使用X7R陶瓷電容，容值偏差不超過10%。

• 電阻：反饋電阻使用1%精度金屬膜電阻。

• 電感：若需添加輸入濾波器，選擇飽和電流大于負(fù)載電流1.5倍的功率電感。

3. 測試與驗(yàn)證

• 空載測試：在無負(fù)載條件下，測量正負(fù)輸出電壓和紋波。

• 負(fù)載測試：逐步增加負(fù)載電流，觀察輸出電壓和效率變化。

• 熱測試：在最大負(fù)載下運(yùn)行1小時(shí)，測量芯片表面溫度（應(yīng)低于125℃）。

六、總結(jié)

LM27762負(fù)壓輸出異常的問題通常源于電荷泵電容選擇不當(dāng)、PCB布局不合理或反饋網(wǎng)絡(luò)配置錯(cuò)誤。通過系統(tǒng)排查電荷泵、LDO和外圍元件，結(jié)合優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)和元件選型，可顯著提高輸出穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，建議參考TI的評估模塊（EVM）設(shè)計(jì)，并遵循以下原則：

1. 嚴(yán)格按數(shù)據(jù)手冊配置電荷泵電容和反饋電阻。

2. 優(yōu)先使用陶瓷電容，避免極性電容。

3. 在輸入端添加LC濾波器，抑制開關(guān)噪聲。

4. 通過示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測電荷泵節(jié)點(diǎn)和輸出電壓，確保波形符合預(yù)期。

通過以上措施，可充分發(fā)揮LM27762的低噪聲、高效能優(yōu)勢，滿足音頻放大器、傳感器供電等高精度應(yīng)用的需求。