MAX680/MAX681：+5V 到 ±10V 电压转换器的深度解析

在电子设计领域，电压转换是一个常见且关键的环节。今天我们就来深入探讨一下 Maxim Integrated 公司的 MAX680/MAX681 这两款 +5V 到 ±10V 的电压转换器，看看它们在实际应用中能为我们带来哪些便利和优势。

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一、产品概述

MAX680/MAX681 是单芯片、CMOS 双电荷泵电压转换器，能够从 +5V 输入电压产生 ±10V 输出。它结合了正向升压电荷泵（从 +5V 输入产生 +10V）和反相电荷泵（产生 -10V 输出），并且都带有一个片上 8kHz 振荡器。不同的是，MAX681 内部集成了电容，而 MAX680 则需要四个外部电容来实现单电源产生正负电压。这款转换器典型输出源阻抗为 150Ω，可提供高达 10mA 的有用输出电流。低静态电流和高效率的特点，使其适用于需要从单电源产生正负电压的各种应用场景。不过对于新设计，也推荐考虑 MAX864/MAX865，其中 MAX864 工作频率高达 200kHz，使用更小的电容；MAX865 采用更小的 µMAX 封装。

二、技术特性亮点

高效转换

电压转换效率高达 95%，功率转换效率达到 85%。如此高的效率意味着在能量转换过程中损失较小，能有效降低功耗，提高整个系统的能源利用率。在一些对功耗要求较高的应用中，这一特性显得尤为重要。

宽电压范围

支持 +2V 到 +6V 的电压输入范围，这使得它在不同电源环境下都能稳定工作，增加了其使用的灵活性。无论是使用低电压的电池供电，还是标准的逻辑电源，都可以轻松应对。

电容配置灵活

MAX680 仅需四个外部电容，这些电容可以选择价格相对较低的 1µF 到 100µF 范围内的电解电容。而 MAX681 则无需外部电容，内部集成了所需电容，对于 PCB 板空间有限的应用来说，是一个很好的选择。

低供电电流

供电电流仅为 500µA，低功耗的特性使得它在一些对电源续航要求较高的设备中表现出色，如电池供电的手持仪器等。

单芯片 CMOS 设计

单芯片的设计使得电路结构更加简洁，减少了外部元件的使用，降低了设计复杂度和成本。同时，CMOS 工艺具有低功耗、高集成度等优点，进一步提高了产品的性能和可靠性。

三、应用领域广泛

电池供电设备

可以从 3V 锂电池产生 ±6V 电压，为电池供电的设备提供合适的电源。在一些手持仪器、便携式设备中，由于电池电压有限，需要通过电压转换来满足不同电路的工作需求，MAX680/MAX681 就可以很好地完成这个任务。

数据采集系统和运算放大器

在数据采集系统中，常常需要正负电源来驱动运算放大器等模拟电路。MAX680/MAX681 可以从标准的 +5V 逻辑电源产生 ±10V 电压，为模拟电路提供稳定的电源，保证数据采集的准确性和精度。

面板仪表电源

为面板仪表提供所需的正负电源，确保仪表的正常工作。在工业控制、仪器仪表等领域，面板仪表是常见的显示和监测设备，稳定的电源供应对于其性能至关重要。

四、电路工作原理与分析

正向电压转换器

MAX680/MAX681 的正向电压转换器通过片上振荡器产生 50% 占空比的时钟信号。在时钟周期的前半部分，开关 S2 和 S4 断开，S1 和 S3 闭合，电容 C1 充电至输入电压 VCC；后半周期，S1 和 S3 断开，S2 和 S4 闭合，C1 的电压上升 VCC，通过电荷转移使 C3 上的电压达到 2VCC，从而产生正电源。

负向电压转换器

负向转换器的开关与正向转换器相位相反。在时钟周期的后半部分，S6 和 S8 断开，S5 和 S7 闭合，电容 C2 从 V+（由正向电荷泵升压至 2VCC）充电到 GND；前半周期，S5 和 S7 断开，S6 和 S8 闭合，C2 上的电荷转移到 C4，产生负电源。这里的八个开关均为 CMOS 功率 MOSFET，其中 S1、S2、S4 和 S5 为 P 沟道开关，S3、S6、S7 和 S8 为 N 沟道开关。

效率考虑

理论上，电荷泵电压倍增器在电荷泵开关几乎无偏移且导通电阻极低、驱动电路功耗极小、储能和泵电容的阻抗可忽略不计的条件下，效率可接近 100%。对于 MAX680/MAX681，每个时钟周期的能量损失是正向和负向转换器能量损失之和。如果泵电容 C1 和 C2 的阻抗相对于其各自的输出负载较高，正向泵的 (V+ - VCC) 与 VCC 之间以及 V+ 与 V- 之间会存在较大的电压差。增大 C3 和 C4 储能电容的值可以减少输出纹波，同时增大泵电容和储能电容的值也能提高效率。

最大工作限制

MAX680/MAX681 片上有齐纳二极管，可将 VCC 钳位到约 6.2V，V+ 钳位到 12.4V，V- 钳位到 -12.4V。使用时切勿超过最大电源电压，否则过大的电流可能会通过这些二极管，从而损坏芯片。该器件在 +2V 到 +6V 的输入电压下，可在整个工作温度范围内正常工作。

五、实际应用电路设计

正负转换器电路

这是 MAX680/MAX681 最常见的应用，作为双电荷泵电压转换器，它能提供两倍于正输入电压的正负输出。对于 PCB 板空间有限的应用，可选择 MAX681；而使用 MAX680 时，需要外部电容 C1 和 C3 用于正向泵，C2 和 C4 用于负向泵。在大多数应用中，四个电容可选择低成本的 10µF 或 22µF 极化电解电容。在低电流应用中，C1 和 C2 电荷泵电容可选用 1µF，C3 和 C4 储能电容可选用 4.7µF。需要注意的是，C1 和 C3 的额定电压必须为 6V 或更高，C2 和 C4 的额定电压必须为 12V 或更高。

并联器件以降低源电阻

将多个 MAX680/MAX681 并联使用，可以降低正向和负向转换器的输出电阻。有效输出电阻等于单个器件的输出电阻除以并联器件的数量。每个 MAX680 需要单独的泵电容 C1 和 C2，但可以共享一组储能电容。

单 3V 电池实现 ±5V 稳压电源

通过结合 MAX680/MAX681、MAX666 和 MAX664，可以从单个 3V 电池实现一个完整的 ±5V 电源。MAX680/MAX681 在 V+ 端提供 +6V 电压，由 MAX666 稳压至 +5V；在 V- 端提供 -6V 电压，由 MAX664 稳压至 -5V。MAX666 和 MAX664 在晶圆分选时已预调整，无需外部设置电阻，减少了元件数量。整个系统的静态电流小于 500µA，输出电流能力为 5mA。当 VCC 为 5V 时，两个稳压输出可同时输出 10mA 电流。

六、总结与思考

MAX680/MAX681 作为一款性能出色的电压转换器，在效率、灵活性和适用性方面都有很好的表现。它的多种特性和应用场景为电子工程师在设计电路时提供了更多的选择和思路。但在实际应用中，我们也需要根据具体的需求和电路条件，合理选择器件和配置电容，以达到最佳的性能和稳定性。例如，在选择电容时，要考虑电容的容量、耐压和成本等因素；在并联器件时，要注意电路的布局和布线，避免出现干扰和不稳定的情况。大家在使用 MAX680/MAX681 时，有没有遇到过什么特殊的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。