LTC3355：集成超級(jí)電容充電器和備用穩(wěn)壓器的20V 1A降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，如何確保在輸入電源中斷時(shí)仍能為負(fù)載提供穩(wěn)定的電源是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。Linear Technology的LTC3355就是一款專門(mén)解決這一問(wèn)題的高性能電源管理芯片。本文將深入介紹LTC3355的特點(diǎn)、應(yīng)用、工作原理以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、關(guān)鍵特性

1. 寬輸入輸出電壓范圍

LTC3355的輸入電壓范圍為3V至20V，輸出電壓范圍為2.7V至5V，能夠適應(yīng)多種不同的電源輸入和負(fù)載需求。

2. 強(qiáng)大的穩(wěn)壓功能

它集成了1A電流模式降壓主穩(wěn)壓器和5A升壓備用穩(wěn)壓器。降壓穩(wěn)壓器可從最高20V的輸入電源提供2.7V至5V的穩(wěn)壓輸出電壓；升壓穩(wěn)壓器能在輸入電源丟失時(shí)，從單個(gè)超級(jí)電容獲取能量為輸出提供連續(xù)的備用電源，且能低至0.5V工作，最大程度利用超級(jí)電容的能量。

3. 可編程功能

• 超級(jí)電容充電電流可編程至1A，具有過(guò)壓保護(hù)功能，還支持單節(jié)CC/CV電池充電。
• 輸入電流限制和升壓電流限制均可編程，方便根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整。

  4. 狀態(tài)指示

  具備輸入電源故障指示器（PFI）、超級(jí)電容電源良好指示器（VCAP）和輸出電源復(fù)位輸出（VOUT），方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控電源狀態(tài)。

  5. 緊湊封裝

  采用緊湊的20引腳4mm×4mm QFN封裝，節(jié)省電路板空間。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

LTC3355適用于多種需要電源備份的應(yīng)用，如穿越“垂死喘息”電源、功率計(jì)、工業(yè)報(bào)警器和固態(tài)硬盤(pán)等。在這些應(yīng)用中，當(dāng)輸入電源突然中斷時(shí)，LTC3355能夠利用超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量為負(fù)載提供臨時(shí)的備用電源，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

三、工作原理

1. 啟動(dòng)過(guò)程

當(dāng)芯片首次啟動(dòng)時(shí)，只有輸入電壓（VIN）可用，輸出電壓（VOUT）和超級(jí)電容電壓（VCAP）為零。內(nèi)部2.5V穩(wěn)壓器在啟動(dòng)期間從VIN為INTVCC供電，INTVCC為所有低壓電路供電。降壓穩(wěn)壓器啟用后，通過(guò)電感驅(qū)動(dòng)VOUT上升，直到FB引腳的反饋電壓等于0.8V。當(dāng)VOUT超過(guò)2.5V時(shí)，INTVCC將精確跟蹤VOUT，內(nèi)部低壓電路的電流將由VOUT提供。

2. 降壓穩(wěn)壓

LTC3355采用1MHz恒定頻率峰值電流模式非同步單片降壓穩(wěn)壓器，帶有內(nèi)部斜率補(bǔ)償，在VIN可用時(shí)控制VOUT的電壓。誤差放大器將FB引腳的分壓輸出電壓與0.8V參考電壓進(jìn)行比較，并相應(yīng)調(diào)整電感峰值電流。通過(guò)MODE引腳可選擇Burst Mode操作，以在低負(fù)載電流時(shí)優(yōu)化效率。

3. 輸入電流限制

可選的輸入電流限制通過(guò)連接在VINS和VIN之間的外部檢測(cè)電阻進(jìn)行編程。當(dāng)達(dá)到輸入電流限制時(shí)，充電電流將減?。蝗绻潆婋娏饕褱p小到零且輸入電流繼續(xù)增加，降壓穩(wěn)壓器的電流驅(qū)動(dòng)能力將降低。

4. 升壓穩(wěn)壓

當(dāng)VIN不可用時(shí)，通過(guò)PFI引腳啟用1MHz恒定頻率峰值電流模式升壓穩(wěn)壓器，同時(shí)禁用降壓穩(wěn)壓器。升壓穩(wěn)壓器使用VCAP存儲(chǔ)的電壓作為輸入電源，調(diào)節(jié)VOUT的電壓。IBSTPK引腳可在1A至5A范圍內(nèi)設(shè)置升壓峰值電流，適用于較低電流的備用應(yīng)用。

5. 超級(jí)電容充電

內(nèi)部1A恒流/恒壓線性充電器從VOUT向VCAP提供電流，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。當(dāng)VIN高于通過(guò)PFI引腳編程的電壓、EN_CHG引腳為高電平且VOUT處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)，充電器啟用。ICHG引腳通過(guò)連接電阻到地來(lái)編程VCAP的充電電流。

6. 電源狀態(tài)監(jiān)控

• VIN狀態(tài)監(jiān)控：PFI輸入始終監(jiān)控VIN電壓，當(dāng)VIN低于參考電壓時(shí)，降壓穩(wěn)壓器和充電器將被禁用，升壓穩(wěn)壓器將被啟用。PFOB引腳是5V開(kāi)漏輸出，當(dāng)PFI比較器確定VIN掉電時(shí)，PFOB輸出變?yōu)榈碗娖健?/li>
• VOUT狀態(tài)監(jiān)控：RSTB引腳是5V開(kāi)漏輸出，當(dāng)VOUT達(dá)到編程穩(wěn)壓電壓的92.5%時(shí)，RSTB引腳變?yōu)楦唠娖健?/li>
• VCAP狀態(tài)監(jiān)控：CPGOOD引腳是5V開(kāi)漏輸出，當(dāng)VCAP達(dá)到編程穩(wěn)壓電壓的92.5%時(shí)，CPGOOD引腳變?yōu)楦唠娖健?

  7. 熱調(diào)節(jié)和熱關(guān)斷

  LTC3355具有熱調(diào)節(jié)功能，當(dāng)芯片溫度因內(nèi)部功耗升高時(shí)，熱調(diào)節(jié)器將通過(guò)減小充電電流將芯片溫度限制在110°C。此外，還有熱關(guān)斷電路，當(dāng)芯片溫度達(dá)到155°C時(shí)，整個(gè)芯片將關(guān)閉；當(dāng)溫度下降約15°C至約140°C時(shí)，芯片將恢復(fù)正常運(yùn)行。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電阻網(wǎng)絡(luò)選擇

• FB電阻網(wǎng)絡(luò)：用于編程VOUT電壓，推薦使用1%精度的電阻以保持輸出電壓精度。
• CFB電阻網(wǎng)絡(luò)：用于編程VCAP電壓，同樣推薦使用1%精度的電阻。
• ICHG設(shè)置電阻：用于設(shè)置VCAP的充電電流，選擇合適的電阻值可確保充電電流的準(zhǔn)確性。
• IBSTPK設(shè)置電阻：用于設(shè)置升壓峰值電流限制，建議使用1%精度的電阻。
• PFI電阻網(wǎng)絡(luò)：用于編程VIN的掉電電壓，為保證PFI閾值電壓精度，應(yīng)使用1%精度的電阻。

  2. 電感選擇

• 降壓電感L1：電感值的選擇可參考公式(L=(V{OUT }+V{D})cdot frac{1.8}{f{SW}})，其中(f{sw })為開(kāi)關(guān)頻率，(Vout)為降壓輸出電壓，(V_{D})為續(xù)流二極管壓降。電感的RMS電流額定值必須大于最大負(fù)載電流，飽和電流應(yīng)高30%。為保持高效率，串聯(lián)電阻（DCR）應(yīng)小于0.1Ω，且磁芯材料應(yīng)適用于高頻應(yīng)用。
• 升壓電感L2：推薦使用3.3μH的電感，以確保在VIN電源中斷后快速?gòu)慕祲恨D(zhuǎn)換到升壓。

  3. 電容選擇

• 降壓輸入電容：使用X7R或X5R類型的陶瓷電容對(duì)VIN和VINS進(jìn)行旁路，電容值為10μF至22μF。如果輸入電源源阻抗高或存在長(zhǎng)導(dǎo)線或電纜引起的顯著電感，可能需要更大的VINS旁路電容，可使用低性能電解電容與陶瓷電容并聯(lián)。
• 輸出電容：輸出電容的選擇可參考公式(C{OUT }=f{SW}left(frac{100}{ V_{OUT }}right))，推薦使用X5R或X7R類型的陶瓷電容，以提供低輸出紋波和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。電容的ESR應(yīng)小于0.05Ω。

  4. 二極管選擇

• 降壓續(xù)流二極管：續(xù)流二極管在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間導(dǎo)通電流，正常工作時(shí)的平均正向電流可根據(jù)公式(D(A V G)=I _{OUT }(1-D C))計(jì)算。在高溫環(huán)境下，應(yīng)選擇反向泄漏電流低的肖特基二極管。
• 升壓整流二極管：推薦使用肖特基整流二極管，該二極管應(yīng)在峰值工作電流下具有低正向壓降、低反向電流和快速反向恢復(fù)時(shí)間，電流額定值應(yīng)考慮功率耗散和輸出電流要求。

  5. PCB布局

  為確保芯片正常工作并降低EMI，在PCB布局時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

• 使VIN、SW1、SW2和接地引腳、降壓續(xù)流二極管、升壓整流二極管和輸入電容形成的回路盡可能小。
• 將這些組件以及電感和輸出電容放置在電路板的同一側(cè)，并在該層進(jìn)行連接。
• 所有接地連接應(yīng)在公共星型接地點(diǎn)或直接連接到這些組件下方的局部、不間斷接地平面。
• 仔細(xì)布局SW1和SW2節(jié)點(diǎn)，避免干擾。
• 保持FB、PFI、ICHG、IBSTPK、VCBST和CFB節(jié)點(diǎn)小，以便接地走線屏蔽它們免受開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的影響。
• 盡可能擴(kuò)展接地平面，并在焊盤(pán)下方和附近添加散熱過(guò)孔，以降低熱阻。

五、典型應(yīng)用

文檔中給出了兩種典型應(yīng)用電路，分別是鉭電容充電器和穿越備用電源、鎳氫涓流充電器和穿越備用電源。這些應(yīng)用電路展示了LTC3355在不同場(chǎng)景下的具體應(yīng)用，為工程師的設(shè)計(jì)提供了參考。

總之，LTC3355是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的電源管理芯片，能夠?yàn)殡娮釉O(shè)備提供可靠的電源備份解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇電阻、電感、電容和二極管等組件，并注意PCB布局，以確保芯片的正常運(yùn)行和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。你在使用LTC3355進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。