LT3581：多功能DC/DC轉(zhuǎn)換器的設計與應用

在電子工程師的日常工作中，DC/DC轉(zhuǎn)換器是一個常見且關鍵的元件。今天我們就來深入探討一下Linear Technology公司的LT3581這款多功能DC/DC轉(zhuǎn)換器，看看它在設計和應用方面有哪些獨特之處。

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一、產(chǎn)品概述

LT3581是一款具備內(nèi)置故障保護功能的PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠有效保護電路免受輸出短路、輸入/輸出過壓以及過熱等情況的影響。它擁有一個42V的主開關和一個42V的從開關，兩者可連接在一起，實現(xiàn)高達3.3A的總電流限制。這種設計使得LT3581在很多本地電源設計中都表現(xiàn)出色，可輕松配置為升壓、SEPIC、反相或反激式轉(zhuǎn)換器。

二、關鍵特性剖析

（一）功率開關與電流能力

• 它采用了3.3A、42V的組合功率開關，以及主/從（1.9A/1.4A）開關設計。這種設計不僅能夠提供較大的電流輸出，還能根據(jù)實際需求靈活分配電流，提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性。
• 在實際應用中，我們可以根據(jù)負載的大小來合理利用主從開關，確保電路的高效運行。例如，在輕負載情況下，只啟用部分開關，減少不必要的功耗。

（二）輸入輸出范圍與頻率

• 輸入范圍廣泛，可在2.5V至22V的電壓下正常工作，最大瞬態(tài)電壓可達40V。這使得它能夠適應多種不同的電源環(huán)境，無論是電池供電還是其他電源系統(tǒng)，都能穩(wěn)定運行。
• 開關頻率最高可達2.5MHz，高頻工作可以減小外部電感和電容的尺寸，從而降低成本和電路板空間。同時，它還可以與外部時鐘或其他開關穩(wěn)壓器同步，方便在多電源系統(tǒng)中使用。

（三）故障保護功能

• 具備輸出短路保護功能，當輸出端發(fā)生短路時，能夠迅速切斷電路，保護芯片和其他元件不受損壞。
• 還能檢測輸入/輸出過壓和過熱情況，一旦出現(xiàn)異常，會及時采取措施，確保電路的安全運行。

（四）其他特性

• 用戶可配置欠壓鎖定功能，根據(jù)實際需求設置啟動和關閉電壓，提高了電路的靈活性。
• 低VCESAT開關，在2.75A電流下典型值為250mV，降低了開關損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。
• 高增益SHDN引腳能夠接受緩慢變化的輸入信號，方便進行系統(tǒng)控制。

三、工作原理與操作模式

（一）啟動過程

• 精確開啟電壓：通過將SHDN引腳與內(nèi)部電壓參考進行比較，實現(xiàn)精確的開啟電壓控制。當SHDN引腳電壓高于1.33V（典型值）時，芯片啟動；低于300mV時，芯片關閉，此時靜態(tài)電流極低。同時，SHDN引腳具有30mV的遲滯，可防止干擾和緩慢上升的電壓影響芯片的正常工作。
• 欠壓鎖定（UVLO）：SHDN引腳還可用于創(chuàng)建可配置的UVLO功能。通過一個電阻分壓器（或單個電阻）從輸入電壓連接到SHDN引腳，可以設置芯片在所需的輸入電壓下開啟或關閉。此外，芯片內(nèi)部也有UVLO電路，當輸入電壓低于2.3V（典型值）時，會自動禁用芯片。
• 開關電流軟啟動：軟啟動電路可使開關電流逐漸上升。當芯片從關機狀態(tài)恢復時，外部SS電容首先放電，重置芯片內(nèi)部邏輯電路的狀態(tài)。然后，一個集成的250k電阻將SS引腳拉至約1.8V，其電壓上升速率由該電阻和外部電容決定。當SS引腳電壓達到1.8V時，CLKOUT引腳啟用，內(nèi)部穩(wěn)壓器將引腳迅速拉高至約2.1V。
• 外部PMOS軟啟動：軟啟動電路還能逐漸增加GATE引腳的下拉電流，使外部PMOS緩慢開啟。GATE引腳電流隨SS電壓線性增加，當SS電壓超過500mV時，最大下拉電流可達933μA。如果SS電壓超過500mV且GATE引腳電壓低于2V，GATE引腳對地呈現(xiàn)2kΩ的阻抗。這種軟啟動方式有助于限制啟動時的浪涌電流，使熱插拔操作更加安全。

（二）采樣模式

采樣模式是LT3581用于檢測輸出短路的一種機制。在這種模式下，主從功率開關（Q1和Q2）在每個時鐘周期（或在頻率折返時每幾個時鐘周期）開啟一段最短時間，以“采樣”電感電流。如果通過Q1的采樣電流超過主開關電流限制（最小1.9A），芯片將觸發(fā)內(nèi)部過流故障。當FB引腳電壓超出正常調(diào)節(jié)范圍約3.7%（45mV < FB < 1.17V）時，采樣模式激活。

（三）頻率折返

當350mV < FB < 900mV（典型值）時，頻率折返電路會降低開關頻率。這一特性降低了芯片能夠?qū)崿F(xiàn)的最小占空比，從而在啟動時更好地控制電感電流。當FB引腳電壓超出該范圍時，開關頻率恢復正常。需要注意的是，啟動時的峰值電感電流受多種因素影響，如負載特性、輸出電容、目標輸出電壓、輸入電壓、開關頻率等。因此，在每個應用中都需要進行測試，以確保峰值電感電流不超過最小故障電流限制。

（四）調(diào)節(jié)過程

在正常調(diào)節(jié)過程中，假設FB引腳電壓接近其調(diào)節(jié)目標，芯片不在采樣模式下工作。每個振蕩器周期開始時，SR鎖存器（SR1）置位，開啟功率開關Q1和Q2。主開關Q1的集電極電流約為從開關Q2集電極電流的1.3倍（當兩個開關的集電極連接在一起時）。Q1的發(fā)射極電流通過一個電流檢測電阻（RS），產(chǎn)生與總開關電流成正比的電壓。該電壓（經(jīng)A4放大）與一個穩(wěn)定斜坡相加，結(jié)果輸入到PWM比較器A3的正輸入端。當A3正輸入端的電壓超過負輸入端的電壓時，SR鎖存器復位，關閉主從功率開關。A3負輸入端的電壓（VC引腳）由A1（或A2）設置，它是FB引腳電壓與參考電壓（如果LT3581配置為升壓轉(zhuǎn)換器，則為1.215V；如果配置為反相轉(zhuǎn)換器，則為9mV）之間的放大差值。通過這種方式，誤差放大器設置正確的峰值電流水平，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。只要芯片不在故障狀態(tài)（見故障操作部分）且SS引腳電壓超過1.8V，LT3581就會以RT引腳或SYNC引腳設置的頻率驅(qū)動CLKOUT引腳。CLKOUT引腳可用于同步其他兼容的開關穩(wěn)壓器IC，并且其占空比與芯片的結(jié)溫呈線性關系，可作為溫度監(jiān)測使用。

（五）故障處理

LT3581的FAULT引腳是一個低電平有效、雙向的引腳，當拉低時表示發(fā)生故障。以下事件可觸發(fā)芯片的故障：

• FAULT1事件：包括SW過流（ISW1 > 1.9A（最?。┗颍↖SW1 + ISW2）> 3.3A（最?。?、輸入電壓VIN > 22V（最小）、SW1和/或SW2電壓 > 42V（最?。┮约靶酒瑴囟?> 165°C。
• FAULT2事件：外部將FAULT引腳拉低。

當檢測到故障時，除了內(nèi)部將FAULT引腳拉低外，芯片還會禁用CLKOUT引腳，關閉功率開關，GATE引腳變?yōu)楦咦杩?。外部PMOS（M1）通過外部RGATE電阻將柵極拉高至源極而關閉，切斷從VIN到VOUT的電源路徑，保護下游功率元件。同時，會啟動一個超時序列，將SS引腳充電至1.8V（如果FAULT1事件仍未結(jié)束，SS引腳將繼續(xù)充電至2.1V并保持在該電壓），然后放電至50mV。這個超時周期可使芯片、PMOS和其他下游功率元件在一定時間內(nèi)免受電氣和熱應力的影響，其時間由SS引腳的電壓上升速率決定。在無故障情況下，外部RFault電阻（通常為100k）將FAULT引腳拉高。

四、應用電路與設計要點

（一）升壓轉(zhuǎn)換器

• LT3581可以很方便地配置成升壓轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)正輸出電壓高于輸入電壓的功能。在這個電路中，一個外部PMOS（可選）由GATE引腳驅(qū)動，在故障發(fā)生時可以實現(xiàn)輸入或輸出的斷開。通過一個反饋電阻就可以設置輸出電壓。對于輸出電壓高于40V的情況，可以參考電荷泵輔助調(diào)節(jié)器部分的內(nèi)容。
• 設計升壓轉(zhuǎn)換器時，需要根據(jù)輸入和輸出電壓、開關頻率等參數(shù)來計算各個元件的值。例如，電感的選擇要考慮其能提供足夠的負載電流、避免次諧波振蕩以及提供最小紋波電流以防止電流比較器誤觸發(fā)等因素。同時，輸出電容的選擇要考慮其低ESR（等效串聯(lián)電阻）特性，以減小輸出紋波電壓。

（二）SEPIC轉(zhuǎn)換器

• SEPIC轉(zhuǎn)換器允許輸出電壓低于、等于或高于輸入電壓。這種拓撲結(jié)構(gòu)本身就具有輸出斷開功能，因為電容C1的存在使得輸入和輸出之間沒有直流路徑，所以在功率路徑中不需要由GATE引腳控制的PMOS。
• 在設計SEPIC轉(zhuǎn)換器時，同樣需要根據(jù)輸入、輸出電壓和開關頻率等參數(shù)來計算元件值。電感的選擇要滿足一定的條件，以確保電路的正常運行和效率。

（三）雙電感反相轉(zhuǎn)換器

• 由于LT3581獨特的FB引腳，它可以在雙電感反相配置中工作，通過改變SEPIC拓撲中L2和肖特基二極管的連接方式，可以產(chǎn)生負輸出電壓。這種解決方案由于電感L2與輸出串聯(lián)，因此輸出電壓紋波非常低。而且，由于電容C1的存在，這種拓撲結(jié)構(gòu)本身就具有輸出斷開功能。
• 設計雙電感反相轉(zhuǎn)換器時，元件的選擇和計算也有其特定的要求，要根據(jù)具體的應用場景來進行合理設計。

五、布局與散熱考慮

（一）布局指南

• 通用布局：為了優(yōu)化熱性能，要將LT3581的外露接地焊盤焊接到接地平面，并使用多個過孔連接到額外的接地平面。在開關電路下方使用接地平面，以防止層間耦合和整體噪聲。高速開關路徑要盡可能短，以減少寄生電感尖峰。VC、FB和RT元件應盡量靠近LT3581放置，同時遠離開關節(jié)點，這些元件的接地應與開關電流路徑分開。VIN引腳的旁路電容要盡量靠近芯片，電感的旁路電容要盡量靠近電感。負載應直接連接到輸出電容的正負極，以獲得最佳的負載調(diào)節(jié)效果。
• 不同拓撲的特定布局：對于升壓拓撲，要盡量縮短開關、二極管D1、輸出電容COUT1和接地回路的長度，以減少開關節(jié)點的寄生電感尖峰。對于SEPIC拓撲，要縮短開關、飛跨電容C1、二極管D1、輸出電容COUT和接地回路的長度。對于反相拓撲，要將D1陰極到芯片的接地回路與輸出電容COUT到芯片的接地回路分開，以減少開關噪聲對輸出的耦合，同時縮短開關、飛跨電容C1、二極管D1和接地回路的長度。

（二）散熱計算

• LT3581芯片的功耗主要來自四個方面：開關I2R損耗、開關動態(tài)損耗、NPN基極驅(qū)動DC損耗和雜散輸入電流損耗。在計算散熱時，需要根據(jù)具體的應用參數(shù)，如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、開關頻率等，使用相應的公式進行計算。
• 例如，在一個特定的升壓應用中，已知輸入電壓VIN = 5V，輸出電壓VOUT = 12V，輸出電流Iout = 0.83A，開關頻率fOSC = 2MHz，二極管正向壓降VD = 0.45V，開關飽和壓降VCESAT = 0.21V，通過計算可以得到開關占空比DC、平均開關電流IIN等參數(shù)，進而計算出各個部分的功耗和總功耗PTOTAL。然后，根據(jù)芯片的熱阻θJA和環(huán)境溫度TA，就可以計算出芯片的結(jié)溫TJ = TA + θJA · PTOTAL。

（三）結(jié)溫測量與熱鎖定

• LT3581的CLKOUT信號的占空比與芯片的結(jié)溫T J呈線性關系。通過測量CLKOUT信號的占空比，可以使用公式TJ = (DCCLKOUT - 35%) / 0.3%來近似計算結(jié)溫。雖然實際結(jié)溫可能與該公式計算結(jié)果有±15°C的偏差，但CLKOUT占空比的變化與結(jié)溫的變化關系是明確的，即CLKOUT占空比每變化1%，結(jié)溫變化約3.33°C。需要注意的是，CLKOUT引腳只能驅(qū)動最大50pF的電容性負載。
• 當芯片結(jié)溫超過165°C時，會觸發(fā)故障條件，芯片進入熱鎖定狀態(tài)。當結(jié)溫下降約5°C（標稱值）時，故障條件解除。

六、開關頻率與同步

（一）頻率選擇

• 在選擇轉(zhuǎn)換器的工作頻率時，需要考慮兩個主要因素。一是要避開敏感頻段，例如在包含RF通信的產(chǎn)品中，455kHz的IF頻率對噪聲很敏感，因此希望開關頻率高于600kHz。有些通信系統(tǒng)對1.1MHz敏感，此時可以采用1.5MHz的開關頻率。二是頻率會影響轉(zhuǎn)換器的物理尺寸，隨著工作頻率的提高，電感和濾波電容的數(shù)值和尺寸會減小，但同時開關動態(tài)損耗、肖特基二極管電荷和其他電容性損耗項會隨頻率成比例增加，從而降低效率。

（二）振蕩器定時電阻

• LT3581的工作頻率可以由內(nèi)部自由運行振蕩器設置。當SYNC引腳驅(qū)動為低電平（< 0.4V）時，工作頻率由連接在RT引腳和地之間的電阻決定。芯片內(nèi)部有一個內(nèi)部微調(diào)的定時電容，振蕩器頻率可以使用公式fOSC = 87.6 / (RT + 1)計算，其中fOSC的單位是MHz，RT的單位是kΩ。反之，也可以根據(jù)所需的頻率計算出RT的值。

（三）時鐘同步

• LT3581的工作頻率也可以由外部源設置，只需將一個數(shù)字時鐘信號提供給SYNC引腳（仍然需要RT電阻）。當SYNC引腳在幾個自由運行時鐘周期內(nèi)驅(qū)動低于0.4V時，芯片將恢復到由RT電阻設置的內(nèi)部自由運行振蕩器時鐘。如果長時間將SYNC引腳驅(qū)動為高電平，會有效地停止工作時鐘，并防止鎖存器SR1置位，從而使芯片的開關操作停止，CLKOUT引腳保持接地。
• SYNC信號的占空比必須在20%至80%之間，以確保正常工作。同時，SYNC信號的頻率必須滿足兩個條件：一是不能在200kHz至2.5MHz的頻率范圍之外切換，除非將其驅(qū)動為低電平（低于0.4V）以啟用自由運行振蕩器；二是SYNC頻率可以高于自由運行振蕩器頻率（由RT電阻設置），但不應低于自由運行振蕩器頻率的25%。

（四）多穩(wěn)壓器同步

• LT3581的CLKOUT引腳可以用于同步一個或多個其他兼容的開關穩(wěn)壓器IC。在一個示例中，一個單電感反相拓撲與一個升壓穩(wěn)壓器同步，以產(chǎn)生 - 12V和12V的輸出。主LT3581的頻率由外部RT電阻設置，從LT3581的SYNC引腳由主LT3581的CLKOUT引腳驅(qū)動。需要注意的是，從LT3581的RT引腳必須連接一個電阻到地，并且為了使CLKOUT信號更快地開始振蕩，建議所有同步的LT3581使用相同的RT電阻值。此外，F(xiàn)AULT引腳可以連接在一起，以便當一個LT3581出現(xiàn)故障時，所有LT3581都進入故障狀態(tài)，直到故障條件消失。

七、電荷泵輔助調(diào)節(jié)器

（一）設計優(yōu)勢

由于LT3581采用主/從開關配置，在設計電荷泵時可以提供比傳統(tǒng)電路更高效、元件更少的解決方案。主開關和從開關的工作方式具有以下優(yōu)點：

• 從開關不像主開關那樣進行電流檢測操作，因此在飛跨電容充電時能夠承受較大的電流尖峰，而且這些電流尖峰不會影響電流比較器的工作。
• 主開關不受電容電流尖峰的影響（只有從開關會受到影響），因此可以更準確地檢測電感電流。
• 由于從開關能夠承受大電流尖峰，為飛跨電容提供電流的二極管不需要限流電阻，從而提高了效率并改善了散熱性能。

（二）高輸出電壓電荷泵拓撲

LT3581可用于電荷泵拓撲，將電感升壓轉(zhuǎn)換器的輸出進行倍增。主開關（SW1）可用于驅(qū)動電感升壓轉(zhuǎn)換器（電荷泵的第一級），而從開關（SW2）可用于驅(qū)動一個或多個其他電荷泵級。這種拓撲適用于高電壓應用，如VFD偏置電源。

（三）單電感反相拓撲

如果只需使用一個電感來產(chǎn)生幅值大于VIN的負輸出電壓，可以使用單電感反相拓撲。由于主從開關由肖特基二極管隔離，通過C1的電流尖峰只會流經(jīng)從開關，從而防止電流比較器誤觸發(fā)。這種拓撲本身就具有輸出斷開功能。

八、熱插拔功能

在熱插拔VIN時，使用外部PMOS可以很大程度上抑制高浪涌電流。通過將外部PMOS與VIN串聯(lián)，并將其柵極由