深入剖析LTC3533：2A寬輸入電壓同步升降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，一款高效、穩(wěn)定的DC/DC轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天，我們就來詳細(xì)了解一下Linear Technology公司的LTC3533，一款2A寬輸入電壓同步升降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3533是一款寬輸入電壓范圍、高效、固定頻率的升降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。它能夠在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下工作，適用于單節(jié)鋰離子/聚合物電池或多節(jié)堿性/NiMH電池應(yīng)用，輸出電壓在輸入電壓范圍內(nèi)。

二、產(chǎn)品特性

1. 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為1.8V至5.5V，輸出電壓可達(dá)5.25V。當(dāng)輸入電壓(V{IN }>1.8V)時(shí)，可提供0.8A連續(xù)輸出電流；當(dāng)(V{IN }>3V)時(shí)，能提供2A連續(xù)輸出電流。
2. 高效同步整流：采用同步整流技術(shù)，效率高達(dá)96%，有助于降低功耗，延長電池續(xù)航時(shí)間。
3. 可編程Burst Mode?操作：在輕負(fù)載時(shí)，可進(jìn)入Burst Mode操作，此時(shí)靜態(tài)電流(I_{Q}=40 mu A)，進(jìn)一步提高效率。
4. 輸出斷開功能：在關(guān)機(jī)時(shí)，輸出可斷開，避免電池漏電。
5. 可編程頻率：開關(guān)頻率可在300kHz至2MHz之間編程，可根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整。
6. 低關(guān)機(jī)電流：關(guān)機(jī)電流小于1μA，減少待機(jī)功耗。
7. 小型封裝：采用熱增強(qiáng)型14引腳（3mm × 4mm × 0.75mm）DFN封裝，節(jié)省電路板空間。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

LTC3533廣泛應(yīng)用于多種手持電子設(shè)備，如GSM調(diào)制解調(diào)器、手持儀器、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、媒體播放器以及微型硬盤驅(qū)動(dòng)器電源等。這些設(shè)備通常對電源的效率、體積和穩(wěn)定性有較高要求，LTC3533正好滿足這些需求。

四、電氣特性

1. 輸入輸出范圍：輸入工作范圍為1.8V至5.5V，輸出電壓調(diào)整范圍為1.8V至5.25V。
2. 反饋電壓：反饋電壓典型值為1.22V，反饋輸入電流在(V_{FB}=1.22V)時(shí)為1至50nA。
3. 靜態(tài)電流：Burst Mode操作時(shí)靜態(tài)電流為40至50μA，關(guān)機(jī)時(shí)靜態(tài)電流為0.1μA，活動(dòng)狀態(tài)時(shí)靜態(tài)電流為700至1100μA。
4. 電流限制：輸入電流限制為3.5至4.5A，峰值電流限制為7A，反向電流限制為0.5A。
5. 開關(guān)特性：NMOS開關(guān)B和C的導(dǎo)通電阻為60mΩ，PMOS開關(guān)A和D的導(dǎo)通電阻為80mΩ。

五、工作原理

1. 振蕩器：通過外部電阻(R{T})連接到地來編程工作頻率，公式為(f(kHz)=33,170 / R{T}(k Omega))。
2. 誤差放大器：是電壓模式放大器，通過配置反饋網(wǎng)絡(luò)（從FB到(V{C})）來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。為提高帶寬，可在反饋分壓電阻上跨接額外的RC前饋網(wǎng)絡(luò)。RUN/SS引腳的電壓可鉗位誤差放大器輸出(V{C})，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。
3. 電流限制：LTC3533有兩個(gè)不同的電源電流限制電路。當(dāng)峰值輸入電流超過4.5A時(shí)，第一個(gè)電路（電流限制放大器）會向FB注入電流以降低輸出電壓；當(dāng)峰值輸入電流超過7A時(shí)，第二個(gè)電路（高速峰值電流限制比較器）會關(guān)閉PMOS開關(guān)A。
4. 反向電流限制：在固定頻率操作時(shí)，LTC3533工作在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。反向電流限制比較器監(jiān)測通過開關(guān)D的電感電流，當(dāng)負(fù)電感電流超過500mA時(shí)，關(guān)閉開關(guān)D。
5. 四開關(guān)控制：根據(jù)控制電壓(V_{C})的大小，LTC3533可工作在降壓、升降壓或升壓模式。四個(gè)功率開關(guān)的相位經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，使工作模式之間的轉(zhuǎn)換連續(xù)、平滑，用戶幾乎感覺不到。

六、Burst Mode操作

1. 自動(dòng)Burst Mode操作：可通過單個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或數(shù)字控制。在自動(dòng)模式下，LTC3533在編程閾值處進(jìn)入Burst Mode操作，當(dāng)負(fù)載需求增加時(shí)返回固定頻率操作。負(fù)載電流的模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)可通過一個(gè)外部電阻(R_{BURST})連接到地來編程，公式為：
   • 進(jìn)入Burst Mode操作：(I{BURST }=frac{17}{R{BURST }})
   • 退出Burst Mode操作：(I{B U R S T}=frac{19}{R{B U R S T}}) 同時(shí)，需要連接一個(gè)濾波電容(C{BURST})到地，其最小值為(C{BURST(MIN) } geq frac{C{OUT } cdot V{OUT }}{60,000})。
2. 手動(dòng)Burst Mode操作：若要手動(dòng)控制Burst Mode操作，可消除連接到BURST的RC網(wǎng)絡(luò)。將BURST連接到(V_{IN})可強(qiáng)制進(jìn)入固定頻率模式，將BURST接地可強(qiáng)制進(jìn)入Burst Mode操作。手動(dòng)控制時(shí)，連接到BURST的電路應(yīng)能吸收高達(dá)2mA的電流。
3. Burst Mode到固定頻率的瞬態(tài)響應(yīng)：為防止在返回固定頻率模式時(shí)出現(xiàn)大的輸出瞬態(tài)，LTC3533內(nèi)置了一個(gè)有源鉗位電路，在Burst Mode操作期間將(V_{C})的電壓保持在最佳值。同時(shí)，建議使用Type 3補(bǔ)償來拓寬控制環(huán)路帶寬。

七、組件選擇

1. 電感選擇：LTC3533的高頻操作允許使用小型表面貼裝電感。電感紋波電流通常設(shè)置為最大電感電流的20%至40%。電感值的計(jì)算公式如下：
   • 升壓模式：(L{BOOST }>frac{V{IN(MIN)} cdotleft(V{OUT}-V{IN(MIN)}right)}{f cdot Delta I{L} cdot V{OUT}} H)
   • 降壓模式：(L{BUCK }>frac{V{OUT } cdotleft(V{IN(MAX) }-V{OUT }right)}{f cdot Delta I{L} cdot V{IN(MAX) }} H) 為提高效率，應(yīng)選擇具有高頻磁芯材料的鐵氧體電感，且電感的ESR要低，能夠承受峰值電感電流而不飽和。
2. 輸出電容選擇：輸出濾波電容的主要作用是減少每個(gè)周期內(nèi)電容充電引起的紋波。紋波計(jì)算公式如下：
   • 升壓模式：(% RippleBoost =frac{I{OUT(MAX) } cdotleft(V{OUT }-V{IN(MIN) }right) cdot 100}{C{OUT } cdot V{OUT }^{2} cdot f} %)
   • 降壓模式：(% RippleBuck =frac{left(V{IN(MAX)}-V{OUT }right) cdot 100}{8 L C{OUT } cdot V_{IN (MAX)} cdot f^{2}} %) 為滿足轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)要求，輸出電容通常要比最小值大很多。同時(shí)，應(yīng)使用低ESR的電容來最小化輸出電壓紋波。
3. 輸入電容選擇：建議在(PVIN)和GND之間靠近引腳處放置至少一個(gè)4.7μF的低ESR陶瓷旁路電容，并盡量減小轉(zhuǎn)換器到電池或其他電源的雜散電阻。
4. 可選肖特基二極管：雖然跨接在同步開關(guān)B和D上的肖特基二極管不是必需的，但它們可以在開關(guān)切換期間提供較低的壓降，從而提高效率。應(yīng)使用表面貼裝肖特基二極管，避免使用普通整流二極管，因?yàn)槠浠謴?fù)時(shí)間慢會影響效率。

八、反饋環(huán)路閉合

LTC3533采用電壓模式PWM控制，控制到輸出的增益隨工作區(qū)域（降壓、升壓、升降壓）而變化，但通常不超過15。輸出濾波器呈現(xiàn)雙極點(diǎn)響應(yīng)，其極點(diǎn)頻率和零點(diǎn)頻率計(jì)算公式如下：

• 濾波器極點(diǎn)頻率：
  • 降壓模式：(f_{FILTERPOLE }=frac{1}{2 cdot pi cdot sqrt{L cdot C{OUT }}} Hz)
  • 升壓模式：(f_{FILTERPOLE }=frac{V{IN}}{2 cdot V{OUT } cdot pi cdot sqrt{L cdot C{OUT }}} Hz)
• 濾波器零點(diǎn)頻率：(f_{FILTERZERO }=frac{1}{2 cdot pi cdot R{ESR} cdot C_{OUT }} Hz)
• 升壓模式中的右半平面零點(diǎn)：(f{RHPZ}=frac{V{IN}^{2}}{2 cdot pi cdot I{OUT } cdot L cdot V{OUT }} Hz) 為穩(wěn)定環(huán)路，可采用簡單的Type I補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，但會降低帶寬和瞬態(tài)響應(yīng)速度。為實(shí)現(xiàn)更高的帶寬，需要使用Type III補(bǔ)償，提供兩個(gè)零點(diǎn)來補(bǔ)償輸出濾波器的雙極點(diǎn)響應(yīng)。

九、典型應(yīng)用

1. 高效高電流LED驅(qū)動(dòng)器：通過合理配置LTC3533的外圍電路，可實(shí)現(xiàn)高效高電流的LED驅(qū)動(dòng)。具體電路中，電感、電容和電阻的參數(shù)選擇需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。
2. 1MHz Li - Ion到3.6V at 2A，脈沖式，手動(dòng)模式控制：在這種應(yīng)用中，LTC3533能夠?qū)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/6503/" target="_blank">鋰離子電池的電壓轉(zhuǎn)換為3.6V的穩(wěn)定輸出，為負(fù)載提供2A的電流。通過手動(dòng)模式控制，可以根據(jù)負(fù)載的變化靈活調(diào)整工作模式。

十、總結(jié)

LTC3533是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入輸出電壓范圍、高效同步整流、可編程Burst Mode操作等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理選擇組件和優(yōu)化反饋環(huán)路，可以充分發(fā)揮其性能，滿足各種手持電子設(shè)備的電源需求。各位工程師在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，不妨考慮一下LTC3533，說不定會給你的設(shè)計(jì)帶來意想不到的效果。你在使用類似DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享。