LM27762输出负压不正常的故障分析与解决方案

LM27762是德州仪器（TI）推出的一款低噪声、高效能双通道升压转换器芯片，其核心功能是通过电荷泵和LDO（低压差线性稳压器）组合实现±1.5V至±5V的可调正负电压输出。该芯片广泛应用于音频放大器、传感器供电、运放偏置等对噪声敏感的场景。然而，在实际应用中，用户常遇到负电压输出异常的问题，如无输出、输出电压偏低或不稳定等。本文将结合技术文档、用户反馈及实际案例，系统分析LM27762负压输出故障的根源，并提供分阶段的解决方案。

一、LM27762负压输出原理与关键参数

LM27762的负压生成机制基于电荷泵和LDO的协同工作：电荷泵通过开关电容网络将输入电压反相，生成初步的负电压；随后，负电压LDO对反相后的电压进行稳压，降低纹波和噪声。这一过程涉及以下关键参数：

1. 输入电压范围：2.7V至5.5V。若输入电压低于2.7V，电荷泵可能无法正常启动；若高于5.5V，可能触发过压保护。

2. 输出电流能力：±250mA。负载电流超过此值时，输出电压会因压降而下降。

3. 开关频率：2MHz（典型值）。高频设计可减小外部元件尺寸，但对PCB布局的寄生参数更敏感。

4. LDO压降：负压LDO在100mA负载下压降为30mV（VOUT=-5V时），正压LDO压降为45mV（VOUT=5V时）。

二、负压输出异常的常见现象与初步排查

1. 无负压输出

• 现象：正压输出正常，负压端电压为0V或接近0V。

• 可能原因：

• 电荷泵电容（如C1）未正确连接或容值不足。

• 负压LDO的使能引脚（EN-）未正确配置。

• PCB布局问题导致电荷泵节点电压异常。

• 排查步骤：

1. 确认电荷泵电容（通常为1μF陶瓷电容）是否焊接正确，且未使用极性电容（如钽电容）。

2. 检查EN-引脚是否接至有效电平（高电平或低电平，取决于设计需求）。

3. 使用示波器测量电荷泵节点（如CP引脚）的波形，确认其是否为方波（频率约2MHz）。

2. 负压输出电压偏低

• 现象：负压输出值低于设定值（如-2.5V输出仅为-1.8V）。

• 可能原因：

• 反馈电阻分压网络配置错误。

• 负压LDO的负载电流超过其能力。

• 输入电压接近下限（如2.7V），导致电荷泵效率下降。

• 排查步骤：

1. 核对反馈电阻（RFB1、RFB2）的阻值是否符合数据手册推荐值（如输出-5V时，分压比应为150kΩ/475kΩ）。

2. 减小负载电流，观察输出电压是否恢复。

3. 提高输入电压至5V，验证输出是否正常。

3. 负压输出不稳定（抖动或噪声）

• 现象：负压输出电压随时间波动，或存在高频噪声。

• 可能原因：

• 电容ESR（等效串联电阻）过高。

• PCB布局中电荷泵路径的寄生电感过大。

• 输入电源存在开关噪声。

• 排查步骤：

1. 将所有输出电容更换为低ESR的陶瓷电容（如X7R材质）。

2. 检查PCB布局，确保电荷泵电容靠近芯片引脚，且走线尽可能短。

3. 在输入端添加LC滤波器（如10μH电感+10μF陶瓷电容），抑制开关噪声。

三、深入分析：电荷泵与LDO的协同工作机制

LM27762的负压输出依赖于电荷泵和LDO的紧密配合。电荷泵通过开关电容网络将输入电压反相，其输出电压可表示为：

其中，C1 和 C2 为电荷泵电容。若电容值不匹配或ESR过高，会导致 VCP 偏离理论值。随后，负压LDO将 VCP 稳压至目标输出电压，其稳压精度受反馈电阻和负载电流影响。

1. 电荷泵电容的选择

• 容值：数据手册推荐使用1μF陶瓷电容（X5R或X7R材质）。若使用钽电容，可能因极性反转导致失效。

• ESR：应低于1Ω，以避免电荷泵效率下降。

• 布局：电容应尽可能靠近芯片的CP引脚，且走线宽度不小于0.3mm。

2. 负压LDO的反馈网络

• 分压电阻：输出电压由 VOUT=−1.225×(1+RFB2RFB1) 决定。若电阻值偏差超过1%，会导致输出电压偏离。

• 负载调整率：在100mA负载下，输出电压变化应小于50mV。若变化过大，需检查LDO的压降是否足够。

四、实际案例分析与解决方案

案例1：负压无输出，正压正常

• 问题描述：输入5V，正压输出4.8V，负压输出0V。

• 排查过程：

1. 测量电荷泵节点电压，发现无方波信号。

2. 检查电荷泵电容（C1）为极性钽电容，更换为1μF陶瓷电容后，负压输出恢复至-4.3V。

3. 调整反馈电阻至150kΩ/475kΩ，输出电压稳定在-5V。

• 结论：极性电容的反向电压导致电荷泵失效。

案例2：负压输出不稳定，伴随鸣叫

• 问题描述：负压输出在-4.5V至-5V之间波动，且芯片发出高频鸣叫。

• 排查过程：

1. 使用示波器观察输出电容的电压纹波，发现100kHz噪声。

2. 更换输出电容为低ESR陶瓷电容后，噪声消失，但负压仍不稳定。

3. 检查PCB布局，发现电荷泵电容与芯片引脚之间的走线长度超过5mm。缩短走线后，输出稳定。

• 结论：寄生电感导致电荷泵效率下降，引发振荡。

案例3：负压输出随输入电压变化

• 问题描述：输入电压从3.6V升至5V时，负压输出从-2.2V升至-2.5V。

• 排查过程：

1. 测量电荷泵节点电压，发现其随输入电压线性变化。

2. 检查反馈电阻分压比，发现RFB1和RFB2的阻值偏差达5%。

3. 更换为高精度电阻（1%误差）后，输出电压稳定。

• 结论：反馈电阻精度不足导致输出电压随输入电压漂移。

五、优化设计与预防措施

1. PCB布局优化

• 电荷泵路径：确保CP引脚与电荷泵电容之间的走线尽可能短，且避免与其他高频信号线交叉。

• 电源和地平面：使用完整的地平面，并尽量减少过孔数量。

• 散热设计：在芯片下方铺铜，并增加散热过孔。

2. 元件选型建议

• 电容：全部使用X7R陶瓷电容，容值偏差不超过10%。

• 电阻：反馈电阻使用1%精度金属膜电阻。

• 电感：若需添加输入滤波器，选择饱和电流大于负载电流1.5倍的功率电感。

3. 测试与验证

• 空载测试：在无负载条件下，测量正负输出电压和纹波。

• 负载测试：逐步增加负载电流，观察输出电压和效率变化。

• 热测试：在最大负载下运行1小时，测量芯片表面温度（应低于125℃）。

六、总结

LM27762负压输出异常的问题通常源于电荷泵电容选择不当、PCB布局不合理或反馈网络配置错误。通过系统排查电荷泵、LDO和外围元件，结合优化PCB设计和元件选型，可显著提高输出稳定性。在实际应用中，建议参考TI的评估模块（EVM）设计，并遵循以下原则：

1. 严格按数据手册配置电荷泵电容和反馈电阻。

2. 优先使用陶瓷电容，避免极性电容。

3. 在输入端添加LC滤波器，抑制开关噪声。

4. 通过示波器实时监测电荷泵节点和输出电压，确保波形符合预期。

通过以上措施，可充分发挥LM27762的低噪声、高效能优势，满足音频放大器、传感器供电等高精度应用的需求。