ICL7660 Ladepumpen-IC: Betriebsprinzipien & Schaltungsbeispiele

Der ICL7660 ist ein nützlicher Ladepumpen-DC-DC-Wandler-IC für Schaltungen, die eine negative Spannung aus einer einzelnen positiven Stromversorgung benötigen. Anstelle eines Induktors arbeitet er mit externen Kondensatoren und internen Schaltkreisen, um Spannung zu invertieren, zu verdoppeln, zu dividieren oder zu multiplizieren. In diesem Artikel wird die Pinbelegung, das Funktionsprinzip, der Schaltungsbetrieb, die Eigenschaften, Spezifikationen usw. des ICL7660 erklärt.

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ICL7660 Ladepumpen-IC

Der ICL7660 ist ein monolithischer CMOS geschalteter Kondensator-DC-DC-Wandler-IC, der verwendet wird, um eine positive Eingangsspannung in andere Spannungsniveaus umzuwandeln. Er kann eine Gleichspannungs-Eingangsspannung invertieren, verdoppeln, dividieren oder multiplizieren, indem er ein Ladepumpendesign verwendet, sodass kein externer Induktor erforderlich ist. Das Gerät ist kompatibel mit der branchenüblichen 7660-Familie und arbeitet typischerweise von 1,5 V bis 10 V.

Der ICL7660 verwendet einen internen Oszillator und Leistungsmosfetschalter, um Ladungen zwischen externen Kondensatoren zu übertragen. In seiner gängigen Spannungsinverterkonfiguration kann er eine negative Ausgangsspannung aus einer positiven Versorgung erzeugen, beispielsweise etwa -5V aus einer +5V Eingangsquelle. Er bietet einen niedrigen Ruhestrom, hohe Effizienz für Niedrigstromschaltungen und einfache Anforderungen an externe Komponenten.

ICL7660 Pinbelegung und Funktionen

Pin Nr.	Pin Name	Funktion
1	BOOST (N.C. auf ICL7660)	Wird bei einigen Varianten wie dem MAX1044 verwendet, um die Frequenz des internen Oszillators zu erhöhen. Bei dem Standard-ICL7660 ist dieser Pin typischerweise nicht verbunden (N.C.).
2	CAP+	Positiver Anschluss für den externen fliegenden Kondensator, der von der Ladepumpenschaltung während der Spannungsumwandlung verwendet wird.
3	GND	Erdungsreferenz für das Gerät. Verbinden Sie diesen Pin mit der Systemerdung.
4	CAP−	Negativer Anschluss für den externen fliegenden Kondensator. Funktioniert mit CAP+, um Ladungen während der Schaltzyklen zu übertragen.
5	VOUT	Ausgangsspannungs- pin. In einer Spannungsinverter-Schaltung sorgt dieser Pin für die negative Ausgangsspannung, die von der Ladepumpe erzeugt wird.
6	LV	Steuerpin für den Niederspannungsbetrieb. Verbessert den Betrieb bei niedrigen Versorgungsspannungen. Bei Eingangspannungen unter etwa 3,5 V ist dieser Pin typischerweise mit GND verbunden.
7	OSC	Oszillatorkontrollpin. Ermöglicht die Anpassung der internen Schaltfrequenz unter Verwendung externer Komponenten oder die Synchronisation mit einer externen Uhr.
8	V+	Positiver Spannungseingang. Verbinden Sie die Eingangsspannungsquelle mit diesem Pin.

ICL7660 Alternativen & Äquivalentes Modell

• MAX1044

• TC7660

• LTC1044

• MAX660

• LM2662

ICL7660 Funktionsblockdiagramm

Das Funktionsblockdiagramm veranschaulicht die interne Architektur des ICL7660. Ein interner Oszillator erzeugt Schaltsignale, die vier MOSFET-Schalter steuern, die als Ladepumpennetzwerk angeordnet sind. Diese Schalter verbinden abwechselnd den externen fliegenden Kondensator mit verschiedenen Knoten, wodurch der Ladetransfer zwischen den Eingangs- und Ausgangsstufen effizient ermöglicht wird.

Das Diagramm zeigt auch den internen Regler, die Steuerungsschaltung für den Oszillator sowie die Verbindungen CAP+, CAP−, V+ und VOUT. Zusammen koordinieren diese Blöcke den Ladetransferprozess, der es dem Gerät ermöglicht, die Eingangsspannung umzukehren oder zu konvertieren, ohne dass eine Induktivität erforderlich ist. Dieses Design hilft, die Schaltung kompakt zu halten und gleichzeitig eine hohe Umwandlungseffizienz zu gewährleisten.

ICL7660 Schaltbild des Betriebsstromkreises

Das Schaltbild des Betriebsstromkreises zeigt die typischen externen Anschlüsse, die für die Spannungsumkehrung erforderlich sind. Eine positive DC-Versorgung wird mit dem V+-Pin verbunden, während ein fliegender Kondensator zwischen CAP+ und CAP− platziert wird. Ein Ausgangskondensator ist zwischen VOUT und Masse angeschlossen, um die erzeugte Spannung zu glätten und den Ripple zu reduzieren.

Während des Betriebs überträgt der ICL7660 Ladung durch den fliegenden Kondensator und liefert eine Ausgangsspannung mit umgekehrter Polarität am VOUT-Pin. Zum Beispiel kann eine +5V-Eingangsspannung unter Bedingungen mit geringer Last eine Ausgangsspannung von nahezu −5V erzeugen. Das einfache kondensatorbasierte Design beseitigt die Notwendigkeit für Induktivitäten, was zu einem kostengünstigen und platzsparenden negativen Spannungswandler führt.

Eigenschaften und Spezifikationen des ICL7660

Parameter	ICL7660 Spezifikation
Gerätetyp	CMOS Schaltkondensator-Spannungswandler (Ladepumpe DC-DC-Wandler)
Hauptfunktionen	Spannungs Umkehrung, Spannungsverdopplung, Spannungsdividierung, Spannungsvervielfachung
Eingangsversorgungs- Spannungsbereich	1.5V bis 10V
Typische Leistungs- Umwandlungseffizienz	98%
Spannungs- Umwandlungseffizienz	Bis zu 99.9%
Typischer Versorgungs- Strom	80 µA
Maximaler Versorgungs- Strom	175 µA (bei +25°C)
Oszillator- Frequenz	Typischerweise 10 kHz bei V+ = 5V
Ausgangs- Widerstand	Typischerweise 55 Ω (20 mA Last, 5 kHz Betrieb)
Externer Induktor erforderlich	Nein
Ex diode erforderlich	Nein
Ausgangsstrom- Fähigkeit	Typischerweise bis zu 10–20 mA (je nach Betriebsbedingungen)
Betriebstemperaturbereich	0°C bis +70°C (ICL7660C), -40°C bis +85°C (ICL7660E), -55°C bis +125°C (ICL7660M)
Lagertemperaturbereich	-65°C bis +150°C
Maximale Versorgungs- Spannung	10.5V
Kurzschluss- Schutz	Dauerbetrieb bei Kurzschluss am Ausgang, wenn V+ ≤ 5.5V
Gehäusetypen	PDIP, SOIC, µMAX
Interne Komponenten	Oszillator- Steuerungsschaltung und vier Leistungs-MOSFET-Schalter
Hauptvorteile	Niedriger Ruhestrom, hohe Effizienz, geringe Bauteilanzahl, kompaktes Design

Wie man den ICL7660 in Schaltungen nutzt

Schaltkreis 1: ICL7660 Negativspannungsversorgung mit 7809 Regler

Im ersten Schaltkreis tritt der DC-Eingang durch die Buchse ein und wird durch den 7809-Spannungsregler geregelt, der eine stabile +9V-Ausgangsspannung liefert. Die Kondensatoren C1 und C2 filtern den Eingang und den Ausgang des Reglers, um Geräusche zu reduzieren und die Spannungsstabilität zu verbessern. Die geregelte +9V-Versorgung wird dann mit dem V+-Pin des ICL7660 verbunden.

Der ICL7660 verwendet den Kondensator C3 als fliegenden Kondensator, um Ladung zwischen den Pins CAP+ und CAP− zu übertragen. Durch seinen internen Oszillator und das Schaltwerk lädt und entlädt das Gerät C3 wiederholt und kehrt effektiv die Polarität der Eingangsspannung um. Infolgedessen erzeugt der VOUT-Pin eine negative Spannung von etwa −9V relativ zur Masse. Der Kondensator C4 filtert den Ausgang und hilft, eine stabile negative Spannung mit reduziertem Ripple aufrechtzuerhalten.

Schaltkreis 2: ICL7660 Dualstromversorgungs-Generator

Im zweiten Schaltkreis ist eine +5V Eingangsspannung direkt mit dem ICL7660 verbunden. Das Gerät verwendet den Kondensator C1 als fliegenden Kondensator und den Kondensator C2 als Ausgangsfilterkondensator. Ein Spannungsregler ist nicht erforderlich, da die Eingangsspannung bereits für den IC geeignet ist.

Während des Betriebs wandelt der ICL7660 die +5V Eingangsspannung in eine ungefähr −5V Ausgangsspannung um. Der Ausgangsanschluss bietet drei Anschlüsse: +5V, −5V und GND. Dies erzeugt eine einfache doppelte Stromversorgung aus einer einzigen positiven Spannungsquelle. Der Schaltkreis zeigt, wie der ICL7660 eine negative Schiene erzeugen kann, während die ursprüngliche positive Versorgung erhalten bleibt, und bietet beide Spannungs polaritäten aus einer Eingangsquelle.

ICL7660 Anwendungen in der Praxis

Stromversorgungen für Operationsverstärker

Der ICL7660 wird häufig verwendet, um eine negative Versorgungsschiene für OP-AMP-Schaltungen zu erstellen. Dies ermöglicht dem Verstärker, Signale zu verarbeiten, die unter Null schwanken, wenn nur eine einzige positive Versorgung verfügbar ist.

Signalaufbereitung von Sensoren

Einige Sensor-Interface-Schaltungen benötigen eine kleine negative Spannung für eine genaue Signalsmessung oder Offset-Anpassung. Der ICL7660 hilft, diese negative Schiene mit nur wenigen externen Kondensatoren bereitzustellen.

RS-232 Kommunikationsschaltungen

RS-232-Schnittstellen benötigen positive und negative Spannungspegel für das ordnungsgemäße Signalieren. Der ICL7660 kann helfen, die benötigte negative Spannung zu erzeugen, wenn das System nur eine positive Gleichspannung hat.

LCD-Bias-Spannung

Bestimmte LCD-Anzeigen benötigen eine negative Bias-Spannung, um den Kontrast zu steuern. Der ICL7660 kann diese Spannung erzeugen, ohne einen sperrigen induktor-basierten Wandler hinzuzufügen.

Batteriebetriebene Geräte

Der ICL7660 ist nützlich in kompakten batteriebetriebenen Geräten, da er einen niedrigen Ruhestrom verwendet und nur wenige externe Komponenten benötigt. Er kann eine zusätzliche Spannungsschiene erzeugen und gleichzeitig die Schaltung einfach halten.

Audiosignal-Schaltungen

Audiofilter, Vorverstärker und analoge Verarbeitungsschaltungen benötigen möglicherweise eine negative Schiene, um die Signal swing zu verbessern und Clipping um Null zu reduzieren. Der ICL7660 kann diese Schiene für Niedrigstromdesigns bereitstellen.

ICL7660 vs MAX660 vs LM2662

Merkmale	ICL7660	MAX660	LM2662
Hersteller	Renesas/Intersil	Analog Devices/Maxim	Texas Instruments
Wandler-Typ	Ladungspumpe Spannungswandler	Ladungspumpe Spannungswandler	Ladungspumpe Spannungswandler
Eingangs spannungsbereich	1,5V bis 10V	1,5V bis 5,5V	2,5V bis 5,5V
Haupt funktionen	Invertieren, Verdoppeln, Teilen, Multiplizieren	Invertieren, Verdoppeln	Invertieren, Verdoppeln
Typischer Ausgangsstrom	10–20 mA	Bis zu 100 mA	Bis zu 200 mA
Typische Effizienz	Bis zu 98%	Bis zu 98%	Bis zu 95%
Oszillator Frequenz	~10 kHz	10 kHz / 80 kHz (BOOST-Modus)	150 kHz
Externer Induktor erforderlich	Nein	Nein	Nein
Externer Diode erforderlich	Nein	Nein	Nein
Ausgangswelligkeit	Mäßig	Niedriger als ICL7660	Niedrig
Ruhestrom	Sehr niedrig	Niedrig	Niedrig
Bauteilanzahl	Sehr niedrig	Niedrig	Niedrig
Am besten geeignet für	Niedrigstrom negative Spannungs-Erzeugung	Höherstrom Ladungspumpen-Anwendungen	Kompakte Hochfrequenz Spannungswandlung
Vorteile	Breiter Eingangsbereich, einfaches Design, niedriger Stromverbrauch	Höherer Ausgangsstrom, BOOST-Pin, verbesserte Leistung	Höhere Schaltfrequenz, kleinere Kondensatoren, bessere Ausgangskapazität
Einschränkungen	Begrenzter Ausgangsstrom	Schmalerer Eingangs spannungsbereich	Niedrigere maximale Eingangsspannung als ICL7660
Typische Anwendungen	OP-AMP-Versorgungen, LCD-Bias, RS-232-Schnittstellen	Analoge Stromversorgungen, tragbare Geräte	Tragbare Elektronik, Sensorsysteme, rauschfreie Stromversorgungsschienen

Mechanische Abmessungen

Fazit

Das Schalterkondensator-Design des ICL7660 macht ihn einfach in der Anwendung, da er keinen externen Induktor oder komplexe Stromschaltungen benötigt. Mit einem breiten Betriebs spannungsbereich, niedrigem Versorgungsstrom und hoher Effizienz in Niedrigstromdesigns bleibt er eine zuverlässige Option für einfache Spannungsumkehrungsaufgaben. Der ICL7660 ist jedoch nicht für schwere Lasten ausgelegt. Sein Ausgangsstrom ist begrenzt, und die Ausgangsspannung kann sinken, wenn die Last zunimmt. Für Schaltungen, die höheren Strom benötigen, können Alternativen wie der MAX660 oder LM2662 besser geeignet sein.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Warum verwendet der ICL7660 Kondensatoren anstelle von Induktivitäten zur Spannungsumwandlung?

Der ICL7660 verwendet ein Schaltkondensator-Ladepumpendesign, das Ladung zwischen Kondensatoren überträgt, um eine neue Spannung zu erzeugen. Dies beseitigt die Notwendigkeit einer Induktivität und reduziert die Größe, die Kosten und die Komplexität der Schaltung.

2. Welche Faktoren können dazu führen, dass die Ausgangsspannung des ICL7660 niedriger als erwartet ist?

Eine niedrige Ausgangsspannung kann auf eine übermäßige Laststromstärke, eine unzureichende Eingangsspannung, hohen ESR des Kondensators, ein schlechtes PCB-Layout oder falsche Kondensatoranschlüsse zurückzuführen sein. Die Ausgangsspannung sinkt natürlicherweise, wenn der Laststrom steigt.

3. Wie beeinflusst der fliegende Kondensator die Leistung des ICL7660?

Der fliegende Kondensator ist dafür verantwortlich, Ladung während jedes Schaltzyklus zu übertragen. Sein Wert und seine Qualität beeinflussen direkt die Stabilität der Ausgangsspannung, die Effizienz und die Ripple-Performance.

4. Kann der ICL7660 sowohl positive als auch negative Spannungen aus einer einzigen Quelle erzeugen?

Ja. Abhängig von der Schaltungsanordnung kann der ICL7660 als Spannungsinverter, Spannungsverdoppler, Spannungsdivider oder Spannungsmultiplier fungieren, sodass er mehrere Spannungspegel aus einer Eingangsquelle erzeugen kann.

5. Wie wirkt sich die Frequenz des Oszillators auf den Betrieb des ICL7660 aus?

Der interne Oszillator steuert, wie schnell Ladung zwischen den Kondensatoren übertragen wird. Eine höhere Schaltfrequenz kann die Ausgangsregelung verbessern und Ripple reduzieren, kann jedoch den Stromverbrauch erhöhen.

6. Welche Vorteile bietet der ICL7660 im Vergleich zu linearen Spannungsumwandlungsmethoden?

Der ICL7660 bietet eine Spannungsumwandlung mit viel höherer Effizienz, da er Ladung überträgt, anstatt überschüssige Energie als Wärme zu dissipieren, was ihn für batteriebetriebene Geräte geeignet macht.

7. Was passiert, wenn der Ausgang des ICL7660 kurzgeschlossen wird?

Der ICL7660 kann dauerhafte Ausgangskurzschlüsse tolerieren, wenn die Eingangsspannung 5,5 V oder weniger beträgt. Längere Kurzschlussbedingungen sollten jedoch vermieden werden, um übermäßigen Stress auf das Gerät zu verhindern.