深入解析LTC3822：低輸入電壓同步降壓DC/DC控制器的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。今天，我們將深入探討Linear Technology的LTC3822，一款專為低輸入電壓應(yīng)用設(shè)計的同步降壓DC/DC控制器。

文件下載：LTC3822.pdf

一、LTC3822概述

LTC3822是一款同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，它能夠驅(qū)動外部N溝道功率MOSFET，并且只需使用少量外部組件。該控制器采用恒定頻率電流模式架構(gòu)，結(jié)合MOSFET (V_{DS}) 感應(yīng)技術(shù)，無需使用感測電阻，從而提高了效率。其最大占空比可達(dá)99%，可實現(xiàn)低壓差運行。此外，開關(guān)頻率最高可編程至750kHz，允許使用小型表面貼裝電感器和電容器。

二、主要特性

2.1 無需電流感測電阻

傳統(tǒng)的DC/DC控制器通常需要使用電流感測電阻來監(jiān)測電流，但LTC3822通過MOSFET (V_{DS}) 感應(yīng)技術(shù)，消除了對感測電阻的需求，不僅降低了成本，還提高了效率。

2.2 全N溝道MOSFET同步驅(qū)動

采用全N溝道MOSFET同步驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)高電流輸出，適用于各種高功率應(yīng)用。

2.3 恒定頻率電流模式操作

這種操作模式提供了出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

2.4 寬輸入電壓范圍

輸入電壓范圍為2.75V至4.5V，適用于多種電源系統(tǒng)，如3.3V電源系統(tǒng)和鋰離子電池系統(tǒng)。

2.5 高精度參考電壓

具有±1%的0.6V參考電壓，保證了輸出電壓的準(zhǔn)確性。

2.6 低壓差操作

最大占空比可達(dá)99%，可實現(xiàn)低壓差運行，提高了電源效率。

2.7 可選頻率

提供300kHz、550kHz和750kHz三種可選頻率，可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行靈活選擇。

2.8 內(nèi)部軟啟動電路

內(nèi)部軟啟動電路可防止啟動時的電流沖擊，保護(hù)電路元件。

2.9 可選最大峰值電流感測閾值

通過IPRG引腳可選擇不同的最大峰值電流感測閾值，以滿足不同的應(yīng)用需求。

2.10 數(shù)字RUN控制引腳

數(shù)字RUN控制引腳可方便地控制芯片的啟動和關(guān)閉。

2.11 輸出過壓保護(hù)

具備輸出過壓保護(hù)功能，可防止輸出電壓過高對負(fù)載造成損壞。

2.12 微功耗關(guān)斷

關(guān)斷時的靜態(tài)電流僅為7.5μA，可有效降低功耗。

2.13 小型封裝

提供3mm × 3mm的DFN或10引腳的MSOP封裝，節(jié)省了電路板空間。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 3.3V輸入系統(tǒng)

LTC3822的輸入電壓范圍適用于3.3V電源系統(tǒng)，可為各種電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。

3.2 鋰離子電池系統(tǒng)

在鋰離子電池系統(tǒng)中，LTC3822可將電池電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓，為設(shè)備提供可靠的電源。

四、電氣特性

4.1 輸入直流電源電流

在正常工作時，輸入直流電源電流典型值為340μA，最大值為500μA；在關(guān)斷模式下，電流僅為7.5μA。

4.2 欠壓鎖定閾值

輸入電壓下降時，欠壓鎖定閾值為1.95V至2.55V；輸入電壓上升時，閾值為2.15V至2.75V。

4.3 調(diào)節(jié)反饋電壓

調(diào)節(jié)反饋電壓為0.594V至0.606V，精度為±1%。

4.4 輸出電壓線路調(diào)節(jié)

輸出電壓線路調(diào)節(jié)為0.025%/V至0.1%/V。

4.5 輸出電壓負(fù)載調(diào)節(jié)

輸出電壓負(fù)載調(diào)節(jié)在不同的ITH電壓下有所不同，范圍為-0.5%至0.5%。

4.6 過壓保護(hù)閾值

過壓保護(hù)閾值為0.66V至0.70V，滯回為20mV。

4.7 振蕩器頻率

振蕩器頻率可通過FREQ引腳進(jìn)行選擇，分別為300kHz、550kHz和750kHz。

五、引腳功能

5.1 BG（引腳1）

底部柵極驅(qū)動器輸出，驅(qū)動外部底部MOSFET的柵極。

5.2 TG（引腳2）

頂部柵極驅(qū)動器輸出，驅(qū)動外部頂部MOSFET的柵極。

5.3 BOOST（引腳3）

柵極驅(qū)動器電路的正電源引腳，通過外部肖特基二極管從 (V_{IN}) 充電的自舉電容器連接在BOOST和SW引腳之間。

5.4 (V_{IN})（引腳4）

為控制電路供電，并作為差分電流比較器的正輸入。

5.5 SW（引腳5）

開關(guān)節(jié)點連接到電感器，也是差分電流比較器的負(fù)輸入和反向電流比較器的輸入。

5.6 FREQ（引腳6）

頻率選擇輸入，可選擇300kHz、550kHz或750kHz的開關(guān)頻率。

5.7 IPRG（引腳7）

選擇 (V_{IN}) 和SW引腳之間的最大峰值感測電壓。

5.8 (V_{FB})（引腳8）

反饋引腳，接收來自外部電阻分壓器的遠(yuǎn)程感測反饋電壓。

5.9 ITH（引腳9）

電流閾值和誤差放大器補(bǔ)償點，決定主電流比較器的閾值。

5.10 RUN（引腳10）

運行控制輸入，將該引腳拉低可關(guān)閉芯片，驅(qū)動該引腳至 (V_{IN}) 或釋放該引腳可使芯片啟動。

5.11 GND（引腳11）

暴露焊盤，必須焊接到PCB的接地層，以實現(xiàn)電氣連接和最佳熱性能。

六、工作原理

6.1 主控制回路

LTC3822采用恒定頻率、電流模式架構(gòu)。在正常工作時，頂部外部N溝道功率MOSFET在時鐘設(shè)置RS鎖存器時導(dǎo)通，在電流比較器（ICMP）重置鎖存器時關(guān)斷。ICMP重置RS鎖存器時的峰值電感器電流由ITH引腳的電壓決定，該電壓由誤差放大器（EAMP）的輸出驅(qū)動。 (V{FB}) 引腳接收來自外部電阻分壓器的輸出電壓反饋信號，該信號與內(nèi)部0.6V參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載電流增加時， (V{FB}) 相對于0.6V參考電壓略有下降，導(dǎo)致 (I_{TH}) 電壓增加，直到平均電感器電流與新的負(fù)載電流匹配。當(dāng)頂部N溝道MOSFET關(guān)斷時，底部N溝道MOSFET導(dǎo)通，直到電感器電流開始反向或下一個周期開始。

6.2 關(guān)斷和軟啟動

通過將RUN引腳拉低可關(guān)閉LTC3822，此時所有控制器功能均被禁用，芯片僅消耗7.5μA的電流。釋放RUN引腳后，內(nèi)部0.7μA電流源將RUN引腳拉高至 (V{IN}) ，當(dāng)RUN引腳達(dá)到1.1V時，控制器啟用。啟動時，LTC3822的內(nèi)部軟啟動電路控制 (V{OUT}) 的上升，誤差放大器EAMP將反饋信號 (V_{FB}) 與內(nèi)部軟啟動斜坡進(jìn)行比較，該斜坡在約650μs內(nèi)從0V線性上升至0.6V，使輸出電壓從0V平穩(wěn)上升至最終值，同時控制電感器電流。

6.3 輕載操作

在低負(fù)載電流時，LTC3822以不連續(xù)模式運行。反向電流比較器RICMP感測底部外部N溝道MOSFET的漏源電壓，當(dāng)電感器電流達(dá)到零時，該MOSFET關(guān)斷。在某些操作條件下，短暫的電感器電流反向可能導(dǎo)致連續(xù)開關(guān)操作。

6.4 短路保護(hù)

LTC3822通過監(jiān)測 (V{FB}) 來檢測 (V{OUT}) 上的短路。當(dāng) (V{FB}) 接近地時，開關(guān)頻率降低，以防止電感器電流失控。當(dāng) (V{FB}) 高于地時，振蕩器頻率將逐漸恢復(fù)正常。該功能在啟動期間禁用。

6.5 輸出過壓保護(hù)

過壓比較器（OVP）可防止輸出電壓的瞬態(tài)過沖以及其他可能導(dǎo)致輸出過壓的嚴(yán)重情況。當(dāng) (V_{FB}) 引腳的反饋電壓比0.6V參考電壓高13.33%時，外部頂部MOSFET關(guān)斷，底部MOSFET導(dǎo)通，直到過壓情況消除。

6.6 頻率選擇和鎖相環(huán)

開關(guān)頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作可通過減少MOSFET開關(guān)損耗來提高效率，但需要更大的電感和/或電容來保持低輸出紋波電壓。LTC3822的開關(guān)頻率可通過FREQ引腳進(jìn)行控制，可選擇550kHz、750kHz或300kHz。

6.7 欠壓鎖定

為防止電源在安全輸入電壓水平以下運行，LTC3822內(nèi)置了欠壓鎖定功能。當(dāng)輸入電源電壓（ (V_{IN}) ）降至2.25V以下時，外部MOSFET和所有內(nèi)部電路關(guān)閉，僅欠壓模塊消耗幾微安的電流。

6.8 峰值電流感測電壓選擇和斜率補(bǔ)償

當(dāng)LTC3822控制器的占空比低于20%時，外部頂部MOSFET兩端允許的峰值電流感測電壓由IPRG引腳的狀態(tài)決定。當(dāng)占空比超過20%時，斜率補(bǔ)償開始起作用，有效降低峰值感測電壓。

6.9 升壓電容器刷新超時

為保持CB兩端的足夠電荷，若底部MOSFET在任何時候保持關(guān)斷10個開關(guān)周期，轉(zhuǎn)換器將短暫關(guān)閉頂部MOSFET并打開底部MOSFET，這種情況最常見于壓差情況。

七、應(yīng)用信息

7.1 功率MOSFET選擇

LTC3822的控制器需要外部N溝道功率MOSFET作為頂部（主）和底部（同步）開關(guān)。選擇功率MOSFET時，主要考慮的參數(shù)包括擊穿電壓 (V{BR(DSS)}) 、閾值電壓 (V{GS(TH)}) 、導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)}) 、反向傳輸電容 (C{RSS}) 、關(guān)斷延遲 (t{D(OFF)}) 和總柵極電荷 (Q{G}) 。由于LTC3822設(shè)計用于低輸入電壓操作，需要使用亞邏輯電平MOSFET（ (R{DS(ON)}) 在 (V{GS}=2.5V) 時得到保證）。

7.2 工作頻率

工作頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作可通過減少MOSFET開關(guān)損耗來提高效率，但需要更大的電感來保持低輸出紋波電壓。LTC3822的內(nèi)部振蕩器在FREQ引腳浮空時以標(biāo)稱550kHz的頻率運行，將FREQ引腳拉至 (V_{IN}) 可選擇750kHz的操作，拉至GND可選擇300kHz的操作。

7.3 電感值計算

給定所需的輸入和輸出電壓、電感值和工作頻率，電感的峰峰值紋波電流可通過公式 (I{RIPPLE}=frac{V{OUT}}{V{IN}}cdotfrac{V{IN}-V{OUT}}{f{OSC}cdot L}) 計算。為了保證紋波電流不超過指定的最大值，電感應(yīng)根據(jù)公式 (Lgeqfrac{V{IN}-V{OUT}}{f{OSC}cdot I{RIPPLE}}cdotfrac{V{OUT}}{V{IN}}) 進(jìn)行選擇。

7.4 電感磁芯選擇

高效率轉(zhuǎn)換器通常需要使用低損耗的磁芯材料，如鐵氧體、鉬坡莫合金或Kool Mμ?磁芯。鐵氧體設(shè)計具有非常低的磁芯損耗，適用于高開關(guān)頻率；鉬坡莫合金是一種低損耗的磁芯材料，但價格較高；Kool Mμ是一種折中的選擇。

7.5 肖特基二極管選擇（可選）

肖特基二極管D在功率MOSFET導(dǎo)通之間的死區(qū)時間內(nèi)傳導(dǎo)電流，可防止底部MOSFET的體二極管導(dǎo)通并存儲電荷，從而提高效率。對于大多數(shù)LTC3822應(yīng)用，2A的肖特基二極管通常是一個不錯的選擇。

7.6 (C{IN}) 和 (C{OUT}) 選擇

在連續(xù)模式下，頂部MOSFET的源電流是一個占空比為 ((V{OUT}/V{IN})) 的方波。為防止大的電壓瞬變，需要使用低ESR的輸入電容器，其最大RMS電流可通過公式 (I{RMS}approx I{MAX}cdotfrac{V{OUT}cdot(V{IN}-V{OUT})^{1/2}}{V{IN}}) 計算。輸出電容 (C{OUT}) 的選擇主要取決于有效串聯(lián)電阻（ESR），輸出紋波可通過公式 (Delta V{OUT}approx I{RIPPLE}cdot(ESR+frac{1}{8cdot fcdot C{OUT}})) 近似計算。

7.7 頂部MOSFET驅(qū)動電源

外部自舉電容器 (C{B}) 通過二極管 (D{B}) 從升壓電源（通常為 (V{IN}) ）充電，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時， (C{B}) 的電壓施加在所需器件的柵源之間。 (C{B}) 的電容必須是頂部MOSFET總輸入電容的100倍， (D{B}) 的反向擊穿電壓必須大于 (V_{IN(MAX)}) 。

7.8 設(shè)置輸出電壓

LTC3822的輸出電壓由外部反饋電阻分壓器設(shè)置，公式為 (V{OUT}=0.6Vcdot(1+frac{R{B}}{R{A}})) 。對于大多數(shù)應(yīng)用，建議 (R{A}) 使用59k電阻。在需要最小化靜態(tài)電流的應(yīng)用中， (R_{A}) 應(yīng)增大以限制反饋分壓器電流。

7.9 低輸入電源電壓

盡管LTC3822可以在低于2.4V的電壓下工作，但隨著 (V_{IN}) 低于3V，最大允許輸出電流會降低。

7.10 最小導(dǎo)通時間考慮

最小導(dǎo)通時間 (t{ON(MIN)}) 是LTC3822能夠?qū)㈨敳縈OSFET導(dǎo)通的最短時間，由內(nèi)部定時延遲和開啟頂部MOSFET所需的柵極電荷決定。在低占空比和高頻應(yīng)用中，應(yīng)確保 (t{ON(MIN)}{OUT}}{f{OSC}cdot V_{IN}}) ，否則LTC3822將開始跳周期，導(dǎo)致紋波電流和紋波電壓增加。

7.11 效率考慮

開關(guān)穩(wěn)壓器的效率等于輸出功率除以輸入功率。LTC3822電路中的主要損耗源包括LTC3822的直流偏置電流、MOSFET柵極電荷電流、 (I^{2}R) 損耗和過渡損耗。通過分析這些損耗源，可以確定限制效率的因素，并采取相應(yīng)的措施來提高效率。

7.12 檢查瞬態(tài)響應(yīng)

可以通過觀察負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)來檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)。當(dāng)負(fù)載階躍發(fā)生時， (V{OUT}) 會立即偏移一個等于 ((Delta I{LOAD})cdot(ESR)) 的量，其中ESR是 (C{OUT}) 的有效串聯(lián)電阻。 (Delta I{LOAD}) 還會開始對 (C{OUT}) 進(jìn)行充電或放電，產(chǎn)生一個反饋誤差信號，調(diào)節(jié)器利用該信號將 (V{OUT}) 恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。在恢復(fù)期間，可以監(jiān)測 (V_{OUT}) 是否存在過沖或振鈴，以判斷是否存在穩(wěn)定性問題。

八、設(shè)計示例

假設(shè)輸入電壓 (V{IN}) 為3.3V，輸出電壓為1.2V，負(fù)載電流要求為10A。IPRG和FREQ引腳浮空，最大電流感測閾值 (Delta V{SENSE(MAX)}) 約為120mV，開關(guān)頻率為550kHz。

8.1 占空比計算

占空比 (Duty Cycle=frac{V{OUT}}{V{IN}}=36.4%)

8.2 導(dǎo)通電阻計算

從圖1可知，SF = 96%。 (R{DS(ON) MAX}=frac{5}{6}cdot0.9cdot SFcdotfrac{Delta V{SENSE(MAX)}}{I{OUT(MAX)cdotrho{T}}}=0.011Omega) 選擇Si4486DY，其 (R_{DS(ON)}) 為9mΩ。

8.3 電感值計算

對于4A的紋波電流，所需的最小電感值為： (L_{MIN}=frac{1.2V}{550kHzcdot4A}cdot(1-frac{1.2V}{3.3V})=0.35mu H) 選擇22A 0.39μH的電感器。

8.4 輸入電容和輸出電容選擇

(C_{IN}