探索ADI LTC3245：寬輸入范圍的低噪聲降壓 - 升壓電荷泵

電子工程師在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)，常常需要面對(duì)輸入電壓范圍廣、低噪聲、高效率等多方面的要求。ADI公司的LTC3245寬輸入范圍、低噪聲、250mA降壓 - 升壓電荷泵，就是一款能滿足這些需求的優(yōu)秀產(chǎn)品。今天我們就來深入了解一下這款器件。

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一、LTC3245的關(guān)鍵特性

1. 寬輸入電壓范圍

LTC3245的輸入電壓范圍為2.7V至38V，這使得它能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，無論是低電壓的電池供電系統(tǒng)，還是高電壓的工業(yè)電源，都能輕松應(yīng)對(duì)。

2. 低靜態(tài)電流

該器件的靜態(tài)電流極低，工作時(shí)為18μA，關(guān)斷時(shí)僅4μA。這一特性有助于降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，非常適合低功耗應(yīng)用。

3. 高效率轉(zhuǎn)換

在12V轉(zhuǎn)5V的轉(zhuǎn)換中，效率可達(dá)81%。這種高效率的轉(zhuǎn)換能減少能量損耗，降低芯片發(fā)熱，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4. 多模式操作

具備2:1、1:1、1:2三種轉(zhuǎn)換模式，并能自動(dòng)切換。內(nèi)部控制電路會(huì)根據(jù)輸入電壓和負(fù)載條件，自動(dòng)選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)換模式，以實(shí)現(xiàn)最高效率。

5. 低噪聲與可選工作模式

采用獨(dú)特的恒定頻率架構(gòu)，輸出噪聲比傳統(tǒng)電荷泵調(diào)節(jié)器更低。同時(shí)，還提供引腳可選的Burst Mode?操作，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求在低噪聲和高效率之間進(jìn)行權(quán)衡。

6. 輸出電壓可選

輸出電壓有固定的3.3V、5V，也可通過外部反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為2.5V至5V，滿足了不同應(yīng)用對(duì)輸出電壓的多樣化需求。

7. 過溫與短路保護(hù)

內(nèi)置過溫保護(hù)和短路保護(hù)功能，當(dāng)芯片溫度過高或輸出短路時(shí)，能自動(dòng)采取保護(hù)措施，避免芯片損壞，提高系統(tǒng)的安全性。

8. 多種封裝形式

提供熱增強(qiáng)型12引腳MSOP和薄型12引腳（3mm × 4mm）DFN封裝，方便不同的PCB布局和散熱設(shè)計(jì)。

9. 汽車級(jí)應(yīng)用認(rèn)證

經(jīng)過AEC - Q100認(rèn)證，可用于汽車電子控制單元（ECU）、CAN收發(fā)器等汽車應(yīng)用，確保了在汽車環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。

二、典型應(yīng)用場(chǎng)景

1. 汽車ECU/CAN收發(fā)器供電

在汽車電子系統(tǒng)中，ECU和CAN收發(fā)器對(duì)電源的穩(wěn)定性和可靠性要求極高。LTC3245的寬輸入電壓范圍、低噪聲和高效率特性，能為這些設(shè)備提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

2. 工業(yè)輔助電源

工業(yè)環(huán)境中的電源情況復(fù)雜，LTC3245可以適應(yīng)不同的輸入電壓，為工業(yè)設(shè)備的輔助電路提供可靠的電源。

3. 低功耗12V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)換

在一些需要將12V電源轉(zhuǎn)換為5V的低功耗應(yīng)用中，LTC3245的高效率和低靜態(tài)電流特性，能有效降低功耗，提高系統(tǒng)的整體性能。

三、電氣特性詳解

1. 輸入電壓與欠壓鎖定

輸入電壓范圍為2.7V至38V，欠壓鎖定閾值在輸入電壓上升和下降時(shí)分別為2.4V和2.2V。這確保了在輸入電壓不穩(wěn)定時(shí)，芯片能正常工作并避免異常啟動(dòng)。

2. 靜態(tài)電流

不同工作模式下的靜態(tài)電流不同，在關(guān)斷模式下僅4μA，工作時(shí)根據(jù)不同條件在18μA至40μA之間。低靜態(tài)電流有助于降低系統(tǒng)功耗。

3. 輸出電壓調(diào)節(jié)

固定輸出電壓（5V和3.3V）在不同輸入電壓和負(fù)載電流條件下，能保持在一定的范圍內(nèi)?？烧{(diào)輸出電壓通過外部反饋實(shí)現(xiàn)，ADJ引腳在可調(diào)模式下會(huì)穩(wěn)定在1.2V。

4. 其他特性

還包括PGOOD引腳的邏輯輸出、振蕩頻率等特性，這些特性共同保證了芯片的正常工作和性能穩(wěn)定。

四、典型性能曲線分析

1. 輸入電流與輸入電壓關(guān)系

輸入工作電流和關(guān)斷電流隨輸入電壓的變化而變化。了解這些曲線有助于在不同輸入電壓條件下，評(píng)估芯片的功耗情況。

2. 輸出電壓與輸入電壓關(guān)系

不同輸出電壓（5V和3.3V）在不同輸入電壓和負(fù)載電流下的變化曲線，能幫助我們確定芯片在各種條件下的輸出穩(wěn)定性。

3. 效率與輸出電流關(guān)系

效率曲線顯示了在不同輸出電流下，芯片的轉(zhuǎn)換效率。這對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)效率、選擇合適的負(fù)載電流非常重要。

五、引腳功能與模式選擇

1. 引腳功能

• (V_{IN})：電源輸入引腳，為電荷泵和IC控制電路提供輸入電壓。
• BURST：Burst Mode邏輯輸入引腳，用于選擇低噪聲或Burst Mode操作。
• SEL1和SEL2：邏輯輸入引腳，用于選擇輸出調(diào)節(jié)模式（固定5V、固定3.3V、可調(diào)或關(guān)斷）。
• OUTS/ADJ：輸出電壓感測(cè)/調(diào)節(jié)輸入引腳，根據(jù)不同模式選擇感測(cè)或調(diào)節(jié)輸出電壓。
• PGOOD：電源良好開漏邏輯輸出引腳，用于指示輸出電壓是否正常。
• (C^{+})和(C^{-})：飛跨電容的正負(fù)極連接引腳。
• (V_{OUT})：電荷泵輸出電壓引腳。
• GND：接地引腳，芯片的接地端，需要良好的接地連接。

  2. 模式選擇

  通過SEL1和SEL2引腳的不同組合，可以選擇不同的輸出調(diào)節(jié)模式。例如，SEL1為低電平、SEL2為高電平時(shí)，輸出為固定5V；SEL1和SEL2都為高電平時(shí)，輸出為固定3.3V。

六、工作原理與應(yīng)用信息

1. 一般操作原理

LTC3245采用基于開關(guān)電容的DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)，結(jié)合內(nèi)部開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換比，能在廣泛的輸入電壓和輸出負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)高效率和穩(wěn)定的輸出調(diào)節(jié)。

2. 輸出調(diào)節(jié)與模式選擇

通過控制環(huán)路調(diào)節(jié)電荷泵的強(qiáng)度，以匹配輸出所需的電流。內(nèi)部比較器根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載條件，選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)換模式，同時(shí)具有可調(diào)偏移和遲滯功能，確保在各種條件下都能實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。

3. 低噪聲與Burst Mode操作

• Burst Mode操作：當(dāng)BURST引腳為低電平時(shí)，芯片工作在Burst Mode。在輕負(fù)載時(shí)，芯片會(huì)周期性地停止電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)入低電流睡眠狀態(tài)，以提高效率。
• 低噪聲操作：當(dāng)BURST引腳為高電平時(shí)，芯片工作在低噪聲模式。此時(shí)，每個(gè)周期的最小電荷量和睡眠遲滯減小，輸出紋波降低。

  4. 短路與熱保護(hù)

  芯片內(nèi)置短路電流限制和過溫保護(hù)功能。當(dāng)輸出短路時(shí)，會(huì)自動(dòng)限制輸出電流；當(dāng)芯片溫度超過閾值時(shí)，會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，待溫度下降后再恢復(fù)工作。

  5. 軟啟動(dòng)操作

  為了限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，芯片具有軟啟動(dòng)功能。在啟動(dòng)過程中，輸出電荷存儲(chǔ)電容的電流會(huì)線性增加，避免對(duì)電源和負(fù)載造成沖擊。

  6. 輸出電壓編程

  通過外部電阻分壓器可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。根據(jù)公式(frac{R{A}}{R{B}}=frac{V_{OUT }}{1.2 V}-1)，選擇合適的電阻值，即可將輸出電壓調(diào)節(jié)在2.5V至5V之間。

  7. 不同模式下的電荷泵操作

• 2:1降壓模式：當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓的兩倍時(shí)，芯片工作在2:1降壓模式。電荷轉(zhuǎn)移分兩個(gè)階段，輸入電流約為輸出電流的一半。
• 1:1降壓模式：當(dāng)輸入電壓介于輸出電壓的兩倍和輸出電壓之間時(shí)，芯片工作在1:1降壓模式，類似于線性調(diào)節(jié)器，輸入電流約等于輸出電流。
• 1:2升壓模式：當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時(shí)，芯片工作在1:2升壓模式。由于驅(qū)動(dòng)能力有限，該模式下芯片始終工作在Burst Mode，輸入電流約為輸出電流的兩倍。

  8. PGOOD輸出操作

  PGOOD引腳為開漏輸出，當(dāng)輸出電壓達(dá)到最終工作電壓的約95%時(shí)，引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)；當(dāng)輸出電壓低于約91%時(shí)，引腳變?yōu)榈妥钁B(tài)?？赏ㄟ^上拉電阻將其連接到輸出電壓或其他低電壓電源，以指示電源是否正常。

  9. 輸出紋波與電容選擇

  輸出電容的類型和值對(duì)輸出紋波、控制環(huán)路穩(wěn)定性和電荷泵強(qiáng)度有重要影響。建議使用低ESR（等效串聯(lián)電阻小于0.1Ω）的陶瓷電容作為輸出電容，以降低輸出紋波和提高穩(wěn)定性。

  10. 輸入電容選擇

  輸入電容的選擇應(yīng)考慮輸入電流的變化和源阻抗。為了減少輸入噪聲和紋波，建議使用低ESR的陶瓷電容進(jìn)行旁路，必要時(shí)可并聯(lián)電解或鉭電容以增加總電容值。

  11. 飛跨電容選擇

  飛跨電容應(yīng)使用陶瓷電容，避免使用極化電容（如鉭電容或鋁電容）。為了實(shí)現(xiàn)額定輸出電流，飛跨電容在工作溫度和偏置電壓下的電容值應(yīng)至少為0.4μF。

  12. 陶瓷電容選擇指南

  不同材料的陶瓷電容在溫度和電壓變化時(shí)，電容值的變化率不同。例如，X5R或X7R材料的電容在 - 40°C至85°C范圍內(nèi)能保持大部分電容值，而Z5U或Y5V材料的電容則會(huì)有較大的電容值損失。在選擇電容時(shí)，應(yīng)參考電容制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)，確保在工作溫度和偏置電壓下滿足最小電容值要求。

七、布局與熱管理

1. 布局考慮

由于芯片的高開關(guān)頻率和瞬態(tài)電流，PCB布局對(duì)性能至關(guān)重要。應(yīng)使用真正的接地平面，并盡量縮短與所有電容的連接，以優(yōu)化性能、降低噪聲并確保輸出調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。同時(shí)，在使用外部電阻分壓器時(shí)，應(yīng)盡量減少ADJ引腳與(C^{+})或(C^{-})之間的雜散電容，必要時(shí)進(jìn)行屏蔽。

2. 熱管理

芯片的功耗會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫升高，為了降低結(jié)溫，建議將芯片的裸焊盤（Pin 13）通過多個(gè)過孔連接到大面積的接地平面，以提高散熱性能。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)芯片的功耗和環(huán)境溫度，合理評(píng)估結(jié)溫是否會(huì)超過規(guī)定的最大值，避免芯片因過熱而損壞。

八、相關(guān)產(chǎn)品對(duì)比

ADI還提供了一系列相關(guān)的電源管理產(chǎn)品，如LTC1751 - 3.3/ LTC1751 - 5、LTC1983 - 3/ LTC1983 - 5等。這些產(chǎn)品在輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流、靜態(tài)電流等方面各有特點(diǎn)。在選擇產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求，綜合考慮這些因素，選擇最適合的產(chǎn)品。

ADI的LTC3245是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的降壓 - 升壓電荷泵芯片。它的寬輸入電壓范圍、低噪聲、高效率、多模式操作等特性，使其在汽車、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要深入了解其特性和工作原理，合理選擇外圍元件和進(jìn)行PCB布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的電源系統(tǒng)。你在使用類似芯片時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。