LTC3113：高效低噪的寬輸入范圍Buck - Boost DC/DC轉換器

在電子設計領域，DC/DC轉換器是電源管理的關鍵組件，特別是對于那些對電源穩(wěn)定性和效率有較高要求的應用。今天，我們來詳細探討Linear Technology公司的LTC3113，一款高性能的寬輸入范圍Buck - Boost DC/DC轉換器。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3113是一款寬$V_{IN}$范圍、高效、固定頻率的Buck - Boost DC/DC轉換器。它的獨特之處在于能夠在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下正常工作，這使得它在各種復雜的電源場景中都能發(fā)揮出色的性能。該轉換器采用單電感低噪聲架構，可提供高達3A的連續(xù)輸出電流，最高效率可達96%，非常適合對噪聲敏感的RF和精密測量應用。

產(chǎn)品特性

• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入和輸出電壓范圍為1.8V至5.5V，能夠適應多種電源和負載需求。
• 高輸出電流能力：在$V{IN}>3.0V$，$V{OUT}=3.8V$時，可提供3A的連續(xù)輸出電流；在$V{IN}≥1.8V$，$V{OUT}=3.3V$時，可提供1.5A的連續(xù)輸出電流。
• 低噪聲架構：單電感低噪聲Buck - Boost架構，有效降低了電源噪聲。
• 高效節(jié)能：最高效率可達96%，并支持可編程頻率（300kHz至2MHz）和可選的Burst Mode?操作，在輕負載時可提高效率。
• 低功耗設計：關機電流小于1μA，內(nèi)部集成軟啟動功能，減少了啟動時的電流沖擊。
• 小型封裝：采用小型、熱增強型的16引腳（4mm×5mm×0.75mm）DFN封裝和20引腳TSSOP封裝，節(jié)省了PCB空間。

應用領域

LTC3113的應用非常廣泛，包括無線調(diào)制解調(diào)器、備用電源系統(tǒng)、便攜式庫存終端、便攜式條形碼閱讀器和便攜式儀器等。

二、電氣特性

輸入輸出范圍

輸入工作范圍為1.8V至5.5V，輸出電壓調(diào)整范圍同樣為1.8V至5.5V，能夠滿足大多數(shù)應用的需求。

反饋電壓和電流

反饋電壓在$V{BURST}=0V$時，典型值為600mV；反饋輸入電流在$V{FB}=0.7V$時，最大值為50nA。

靜態(tài)電流

在不同工作模式下，靜態(tài)電流表現(xiàn)出色。Burst Mode操作時，靜態(tài)電流典型值為40μA；關機時，靜態(tài)電流小于1μA；活動狀態(tài)下，靜態(tài)電流典型值為300μA。

電流限制

輸入電流限制典型值為7.8A，峰值電流限制典型值為11.1A，Burst Mode峰值電流限制典型值為1.9A，反向電流限制典型值為 - 1A。

開關電阻和占空比

NMOS開關導通電阻典型值為25mΩ至35mΩ，PMOS開關導通電阻典型值為30mΩ至40mΩ。最大占空比在Boost模式下為90%，Buck模式下為100%，最小占空比為0%。

頻率和誤差放大器

頻率精度在$R_{T}=90.9kΩ$時，典型值為1MHz。誤差放大器的開環(huán)增益典型值為100dB，源電流和灌電流分別為500μA和160μA。

邏輯閾值和軟啟動時間

BURST和RUN輸入邏輯閾值典型值為0.7V，輸入電流最大值為1μA。軟啟動時間典型值為2ms。

三、工作原理

振蕩器和誤差放大器

LTC3113的工作頻率可通過連接在RT引腳和地之間的外部電阻進行編程，范圍為300kHz至2MHz。誤差放大器是一個高增益電壓模式放大器，通過連接在VC和FB引腳之間的R - C網(wǎng)絡進行環(huán)路補償，以確保轉換器的穩(wěn)定運行。

電流限制

該轉換器具有兩個電流限制電路。主電流限制是一個平均電流限制電路，當輸入電流超過7.8A時，會向FB引腳注入電流以降低輸出電壓。此外，還有一個峰值電流限制電路，當電流超過平均電流限制值的約142%時，會關閉開關A，提供額外的短路保護。當輸出電壓低于1.2V時，兩個電流限制值會相應降低。

反向電流限制

在固定頻率操作期間，開關D上的反向電流比較器會監(jiān)測進入$V_{OUT}$的電流。當電流超過1A（典型值）時，開關D會在剩余的開關周期內(nèi)關閉，防止Buck - Boost轉換器受到過大的反向電流影響。

內(nèi)部軟啟動

LTC3113具有獨立的內(nèi)部軟啟動電路，持續(xù)時間為2ms。在軟啟動期間，轉換器保持調(diào)節(jié)狀態(tài)，并能響應輸出負載瞬變。同時，輸出電壓上升時間對輸出電容大小和負載電流的依賴性較小。

熱關斷和欠壓鎖定

當芯片溫度超過155°C時，LTC3113會自動禁用，所有功率器件關閉，開關節(jié)點進入高阻抗狀態(tài)。當溫度下降到約145°C時，轉換器會重新啟動。當電源電壓低于1.6V（典型值）時，轉換器會被禁用，軟啟動電路會復位，當輸入電壓上升到1.7V（典型值）以上時，轉換器會重新啟動。

PWM模式和Burst Mode操作

• PWM模式：當BURST引腳置低時，轉換器以固定頻率的PWM模式運行，可提供全輸出電流。其獨特的開關算法允許在Buck、Buck - Boost和Boost模式之間無縫切換，消除了電感電流的不連續(xù)性，提高了效率和穩(wěn)定性。
• Burst Mode操作：當BURST引腳置高時，轉換器采用可變頻率開關算法，以提高輕負載時的效率并降低零負載時的待機電流。在Burst Mode操作中，電感以固定峰值幅度電流脈沖充電，因此只能提供部分最大輸出電流。

四、應用信息

輸出電壓編程

通過連接在FB引腳的外部電阻分壓器，可以設置Buck - Boost輸出電壓，計算公式為$V{OUT}=0.600(1+frac{R2}{R1})(V)$，其中R1連接在FB和SGND之間，R2連接在FB和$V{OUT}$之間。輸出電壓可在1.8V至5.5V之間調(diào)整。

電感選擇

為了實現(xiàn)高效率，應選擇低ESR的電感，并且其飽和電流額定值應大于最壞情況下的平均電感電流加上一半的紋波電流。電感的峰 - 峰電流紋波在Buck和Boost模式下會有所不同，可通過相應的公式進行計算。為了確保在無負載條件下不觸發(fā)反向電流比較器，建議峰 - 峰電感紋波不超過800mA。不同的電感值會影響輸出電流紋波、反饋環(huán)路穩(wěn)定性和最大輸出能力，同時電感的核心材料和樣式也會影響其尺寸、價格和EMI特性。

輸出和輸入電容選擇

輸出電容應選擇低ESR的多層陶瓷電容，以最小化輸出電壓紋波。電容的大小應根據(jù)所需的輸出電壓紋波進行選擇，可通過相應的公式進行計算。輸入電容建議使用至少47μF的低ESR陶瓷電容，并盡可能靠近$V_{IN}$引腳放置，以減少雜散電阻。

PCB布局考慮

由于LTC3113在高頻下切換大電流，PCB布局對其性能至關重要。應盡量縮短所有高電流路徑，將旁路電容靠近IC放置，并確保其接地路徑最短。暴露焊盤應通過多個過孔直接連接到接地平面，以提高散熱性能和功率處理能力。所有關鍵組件應放置在完整的接地平面上，以減少環(huán)路截面積，降低EMI和電感壓降。

反饋環(huán)路閉合

LTC3113采用電壓模式PWM控制，其控制 - 輸出增益隨工作區(qū)域（Buck、Buck - Boost、Boost）而變化。輸出濾波器具有雙極點響應和右半平面（RHP）零，需要進行適當?shù)难a償以確保環(huán)路穩(wěn)定。簡單的Type I補償網(wǎng)絡可以穩(wěn)定環(huán)路，但會降低帶寬和瞬態(tài)響應；為了獲得更高的帶寬，建議使用Type III補償網(wǎng)絡。

五、典型應用

Li - Ion電池供電應用

將Li - Ion電池的電壓轉換為3.3V/3A或3.8V/3A的穩(wěn)定輸出，適用于各種便攜式設備。

超級電容備用電源

在超級電容供電的備份電源系統(tǒng)中，LTC3113可以在輸入電壓范圍為1.8V至4.5V時提供穩(wěn)定的輸出。

升壓和降壓轉換

如將3.3V轉換為5V/2.5A的升壓轉換，或3.3V轉換為1.8V/5A的降壓轉換，同時支持輸出斷開功能。

脈沖負載或便攜式RF功率放大器應用

在脈沖負載或便攜式RF功率放大器應用中，LTC3113能夠快速響應負載變化，提供穩(wěn)定的電源。

六、總結

LTC3113是一款功能強大、性能出色的Buck - Boost DC/DC轉換器，具有寬輸入輸出電壓范圍、高輸出電流能力、低噪聲、高效率等優(yōu)點。在實際應用中，合理選擇外部組件和優(yōu)化PCB布局對于發(fā)揮其最佳性能至關重要。通過深入了解其工作原理和應用信息，電子工程師可以更好地將LTC3113應用于各種電源管理設計中。

你在使用LTC3113的過程中遇到過哪些問題？或者你對它的哪些特性最感興趣？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。