SGM3112 5V 电荷泵升压转换器：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天就来详细聊聊 SGM3112 这款 5V 电荷泵升压转换器，它在很多应用场景中都有着出色的表现。

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一、SGM3112 概述

SGM3112 是一款具有低噪声输出电压的开关电容转换器。它能够在 3.1V 至 5.5V 的输入电压范围内，提供 5V 输出和高达 200mA 的输出电流。当输入电压降至 2.7V 时，仍可提供 125mA 的输出电流。在小输出电流情况下，可通过将 MODE 引脚拉高配置为 PFM 模式，以降低功耗。此外，将 OUTDIS 引脚拉高，可在设备禁用时对输出电压进行放电。它采用绿色 TDFN - 2×2 - 8AL 封装，具有出色的热性能，能防止在额定工作条件下过热。

二、特性亮点

（一）宽输入电压范围

输入电压范围为 2.7V 至 5.5V，这使得它可以适配多种电源，如单节锂离子电池、2 节或 3 节碱性电池等，增强了其在不同应用场景下的通用性。大家在实际设计中，是否遇到过因为输入电压范围受限而不得不更换电源方案的情况呢？

（二）高输出能力

能够提供 5V 固定输出电压和 200mA 的输出电流能力，满足了很多对 5V 电源有需求的负载。在像多节 AA 电池应用、5V 偏置、I/O 偏置电源等场景中都能稳定工作。

（三）无电感设计

仅需 3 个外部组件，相比传统需要电感的升压转换器，减少了元件数量和 PCB 面积，降低了成本和设计复杂度。并且在关机时，输入与负载断开，这在一些对电源隔离有要求的场合非常实用。

（四）保护功能完善

具备热关断和短路保护功能，能有效防止芯片因过热或短路而损坏。同时，其 2.2MHz 的开关频率，使得在升压模式下可以使用更小的外部电容，进一步节省了空间。

（五）轻载高效

在轻载时可工作于脉冲频率调制（PFM）模式，通过根据负载变化调整开关频率来降低功耗，提高了能源利用效率。而在对噪声敏感的应用中，也可以将 MODE 引脚拉低，采用固定频率模式，获得较低的输出纹波。

三、引脚配置与功能

SGM3112 采用 TDFN - 2×2 - 8AL 封装，各个引脚都有其特定的功能：

• MODE 引脚：用于控制 PFM 模式的启用或禁用。拉高为 PFM 模式，可降低功耗；拉低为固定频率模式，输出纹波小。
• C1 - 和 C1 + 引脚：是电荷泵飞跨电容的正负连接端。
• OUTDIS 引脚：当 EN 引脚为低电平时，拉高该引脚可使输出快速放电；拉低则输出高阻抗，缓慢放电。
• EN 引脚：高电平使能芯片，低电平禁用芯片。
• VOUT 引脚：电荷泵转换器的输出端。
• VIN 引脚：电源输入引脚。
• GND 引脚：接地引脚，同时暴露焊盘也应连接到地，以提高散热性能。

四、电气特性

在典型工作条件下（(V{IN}=3.6V)，(C{IN}=C{OUT}=2.2μF)，(C{FLY}=1μF)，(T_{A}=-40^{circ}C) 至 +85℃），SGM3112 表现出了良好的电气性能。例如，在输出电流为 180mA 时，输出电压可稳定在 4.85V 至 5.15V 之间；静态电流在不同模式下有所不同，PFM 模式下典型值为 60μA，固定频率模式下为 5.5mA；关机电流最大仅 1μA，大大降低了待机功耗。

五、典型应用与设计要点

（一）典型应用电路

其典型应用电路可以实现从 2.7V 至 5.5V 输入电压转换为 5V 输出，最大输出电流可达 200mA。在实际设计中，要注意输入、输出和飞跨电容的选择和布局。

（二）输出电流能力

当输入电压高于 3.1V 时，SGM3112 能提供高达 200mA 的负载电流；输入电压在 2.7V 至 3.1V 之间时，最大输出电流为 125mA。可以通过等效输出电阻模型来估算输出电压降，公式为 (V{OUT}=2×V{IN}-I{OUT}×R{OUT})，其中 (R{OUT}) 可通过 (R{OUT}=2×R{sw}+frac{1}{f{sw}×C{FLY}}+4×ESR{CFLY}+ESR_{COUT}) 计算。增大飞跨电容的尺寸可以提高输出电流能力，但需要在负载电流和电容尺寸之间进行平衡。

（三）效率计算

电荷泵效率可通过公式 (E=(V{OUT}×I{OUT})÷(V{IN}×I{IN})=V{OUT}÷(G×V{IN})) 计算，对于 SGM3112，(G = 2)。考虑静态电流时，效率公式为 (E=frac{P{OUT}}{P{IN}}=frac{V{OUT}×I{OUT}}{V{IN}×(2×I{OUT}+I_{Q})})。在设计中，我们要尽量提高效率，减少功率损耗。

（四）功率损耗

功率损耗可通过 (P{D}=P{IN}-P{OUT}=[V{IN}×(2×I{OUT}+I{Q})]-[V{OUT}×I{OUT}]) 计算。在最大输入电压和最大负载电流（5.5V/200mA）时，功率损耗最大，约为 1.2W，此时要注意防止芯片进入热保护状态。

（五）电容选择

• 输出电容：影响输出电压纹波，推荐使用 10μF、10V 额定电压的陶瓷电容。输出电压纹波可通过 (V{RIPPLE(PEAK - PEAK)}=frac{I{OUT}}{2×C{OUT}×f{SW}}) 和 (V{RIPPLE(PEAK - PEAK)}=(frac{I{OUT}}{C{OUT}}×frac{0.6}{f{SW}})+(2×I{OUT}×ESR{COUT})) 估算。
• 输入电容：建议使用 10μF、10V 或更高电压额定的 X5R/X7R 低 ESR 陶瓷电容，它可以加快飞跨电容的充电速度，避免输入电压下降，并过滤输入线上的噪声。
• 飞跨电容：推荐使用 1μF、10V 额定的 X5R/X7R 低 ESR 陶瓷电容，不能使用钽电容或电解电容，因为它们有极性要求，在正常工作时可能会反偏。

（六）布局指南

布局对于 SGM3112 的正常工作和性能至关重要。应将输入、输出和飞跨电容尽可能靠近芯片，并在同一侧，使用短而宽的走线连接这些电容到 IC，以减少走线寄生效应。同时，使用多个 GND 过孔连接 GND 引脚和 PCB 接地平面，提高散热性能。

六、总结

SGM3112 作为一款性能出色的 5V 电荷泵升压转换器，具有宽输入电压范围、高输出能力、无电感设计、保护功能完善等优点。在实际应用中，只要我们根据其特性合理选择外部组件、优化布局，就能充分发挥其优势，为电子设备提供稳定、高效的 5V 电源。大家在使用 SGM3112 或其他类似芯片时，有没有遇到过一些独特的问题或解决方案呢？欢迎在评论区分享交流。