ICL7660在KJF2000监控系统中的应用 - 全文

　　1、ICL7660的主要特点

　　ICL7660是变极性DC-DC变换器。通过该DC-DC变换器可以将正电压输入变为负电压输出，即VDD与Vo的极性相反。这种变换器利用振荡器和多路模拟开关实现电压极性的转换，因而静态电流小、转换效率高、外围电路简单。另外，ICL7660还具有如下特点：

　　（1）工作电压范围宽（+1.5~+10.5V）。

　　（2）可将CMOS或TTL的+5V电压转换成为-5V电压。

　　（3）空载时没有内部压降，转换效率可以达到99.7%，接负载后本身耗电小于0.5mA，却可向负载提供10~20mA的电流，其转换效率为95%。

　　（4）外围电路简单，只需外接两个电容即可工作。

　　（5）可采用串联方式实现倍压输出。

　　（6）温度范围为-65~+150℃。

　　（7）当电源电压小于5.5V时，能承受持续短路。

　　2、ICL7660的引脚功能及工作原理

　　2.1、ICL7660的引脚排列及功能特性，如图1。

　　

　　图1     ICL7660引脚排列

　　NC（l）空脚;

　　CAP+，CAP-（2，4）分别外接电容的正、负端;

　　GND（3）信号地;

　　Vo（5）转换电压输出端（负端），外接电容C2;

　　LV（6）芯片内置电源低电压端，当VDD》3.5V时，此端开路;VDD《3.5V时，应将此端接地，以改善电路的低压工作性能;

　　OSC（7）振荡器外接电容或时钟输出端。此端不接电容时，振荡频率为10kHz，若需降低内部振荡频率，应外接电容C。当C=100pF时，f≈lkHz;C=1000pF时，f≈100Hz。振荡信号亦可由此端引出;

　　VDD（8）正电源端，范围为1.5~10.5V。

　　2.2、ICL7660的工作原理

　　ICL7660电压变换器也称“泵电源”，其特点是利用电荷泵的原理将正压输入变成反极性的负压输出，即Vo=-VDD。它利用振荡器、模拟开关和泵电容来实现电压极性转换。ICL7660电压变换器可将单电源变换成对称输出的双电源，还能实现倍压或多倍压输出，具有电源效率高（空载为99.7%，带负载后为95%）、外围电路简单（仅需两只电容）等优点。可广泛用于数字电压表、数据采集系统等领域。

　　

　　图2  ICL7660的内部框图

　　ICL7660的内部框图如图2所示。它主要由RC振荡器、分频器、4只由场效应管构成的模拟开关、逻辑控制器、电平转换器和稳压器等组成。工作时，RC振荡器产生的振荡频率f经过分频器后变成5kHz，然后再经电平转换器去控制模拟开关SW1~SW4，其中SW1为P沟道场效应管，SW2~SW4均为N沟道场效应管。模拟开关SW1和SW2为一组，SW3和SW4为另一组，由于这两组开关交替通断，且分频后得到的是对称方波，所以它们分两个半周期工作。在上半周期，SW1与SW2闭合，SW3和SW4断开，C1被充电到VDD;在下半周期，SW3和SW4闭合，SW1与SW2断开，C1的正端接地，负端接Vo，由于C1与C2相并联，C1上的部分电荷将转移到C2，在C2上形成负压输出。在模拟开关作用下，C1不断充电，其两端压降维持在VDD值。

　　3、ICL7660在KJF2000中的应用

　　3.1、系统分站电路原理

　　系统分站利用ICL7660芯片将+8V电源变换成-8电源，电路如图3所示。

　　

　　图3   ICL7660在KJF2000系统中的接线电路

　　C1、C2采用漏电小、介质损耗低的10μF钽电容，以提高电源转换效率。根据ICL7660的特性，当VDD<+6.5V时，第5脚可直接作为输出;当VDD>+6.5V时，为避免损坏芯片，输出电路需要串入二极管VD。该电路的输出电流不宜超过10mA。虽然分站在-8V电源上功耗较小，但其转换电压为+8V，电容存在一个比较高的放电负电压-8V，当VDD移开时，电容上的反向负压容易损坏芯片。所以在输出电路中串入保护二极管将有效的保护ICL7660芯片。

　　3.2、ICL7660芯片损坏的主要原因

　　当系统分站断电时，VDD突然掉电，使得ICL7660内部要承受由C2电容形成的反向负压，很容易造成芯片的损坏。其特征为第8脚VDD和第3脚GND形成虚短，这时分站的本安电源一直处在保护和工作两种状态之间转换，分站一直处于重新启动的状态。虚短使得流过ICL7660芯片的电流增大，芯片温度急剧升高，使得芯片的损坏程度进一步加剧，最终导致芯片无法使用。

　　3.3、ICL7660芯片损坏对系统分站的影响

　　（1）模拟量信号部分采集不连续甚至无法采集。主要原因是ICL7660不能提供稳定的-8V电压，因为在模拟量采集部分-8V电压为采集信号的比较基准电压，当ICL7660为虚短状态时，8V电压一般为0~2V之间，所以ICL7660芯片输出电压为-2~0V，此时LM124、LM324输入信号的直流分量得不到有效的遏制，因此造成模拟量信号无法采集。

　　（2）整个分站不正常工作，表现为分站显示窗一直在闪烁。此时ICL7660为短路状态，由于分站本安电源有过压过流保护功能，所以电源一直在通和断两种状态间转换。

　　（3）ICL7660造成的分站与计算机不通讯，主要原因也是由于ICL7660虚短或短路造成传输信号输入到LM124的直流分量无法遏制。

　　3.4、ICL7660芯片大负载驱动

　　在多通道数字信号采集系统中，特别是功耗比较大的AD转换器芯片，对电源的带载能力要求较高。为降低ICL7660变换器的输出阻抗，提高带载能力，可以将多片ICL7660并联使用。图4为2只ICL7660的并联电路图。其中每只ICL7660各用1只电容C1，输出端则共用1只电容C2。若有N只芯片并联，则输出阻抗R0‘=R0/N，而其最大输出电流通常可以接近10N（mA）。

　　

　　图4  2只ICL7660并联电路图

　　3.5、多倍负压的实现方法

　　小的数据采集系统一般都是单电源供电，为了能得到多倍系统负压，以往都采用提高系统供电电压的办法，这种方法对于大部分采用较低电压供电的芯片来说，系统又要增加降压稳压电路，这不但增加了成本，也增大了产品的体积。可采用串联ICL7660芯片的方式获得多倍负压输出，具体电路如图5所示。在ICL7660串联时，一般将第一只芯片的输出端与第二片的GND端相连。若使用3只ICL7660，则可获得3倍负压输出，即Vo=-3VDD。通常串联芯片不宜超过3片。

　　

　　图5  多倍负压实现方法

　　4、结束语

　　ICL7660变极性DC-DC变换器非常适合在数字电压表、数据采集等数字系统中使用，它转换效率高、静态电流小、外围电路简单，而且使用方便，功能强，在KJF2000监控系统中得到了很好的应用。