探索LTC3230：低噪聲電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的卓越性能與應(yīng)用

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，高效穩(wěn)定的電源管理和精準(zhǔn)的LED驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要。LTC3230作為一款低噪聲電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器，為多LED驅(qū)動(dòng)和雙LDO 電源供應(yīng)提供了出色的解決方案。本文將深入剖析LTC3230的特性、應(yīng)用、工作原理以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：LTC3230.pdf

特性亮點(diǎn)

高效低噪的電荷泵

LTC3230采用低噪聲電荷泵，具備自動(dòng)模式切換功能，提供了高效的電源轉(zhuǎn)換。其多模式操作包括1x、1.5x和2x模式，能根據(jù)LED電流源的電壓自動(dòng)優(yōu)化效率。例如，在1x模式下，輸入電壓直接連接到CPO，提供最大效率和最小噪聲；當(dāng)檢測到LED電流源出現(xiàn)壓降時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到1.5x或2x模式。

精準(zhǔn)的LED電流控制

通過單個(gè)外部電阻可對(duì)主、副LED的滿量程電流進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)32:1的線性LED亮度控制。同時(shí)，具備四個(gè)25mA的低 dropout主LED電流源和一個(gè)25mA的低 dropout副LED電流源，確保LED的穩(wěn)定發(fā)光。

雙LDO線性調(diào)節(jié)器

兩個(gè)200mA的線性調(diào)節(jié)器，具有獨(dú)立的使能和輸出電壓選擇引腳。每個(gè)調(diào)節(jié)器可通過三電平輸入引腳設(shè)置為三個(gè)預(yù)選擇輸出電壓之一，且可獨(dú)立于電荷泵啟用，為系統(tǒng)提供額外的電源支持。

其他特性

低關(guān)機(jī)電流僅為3μA，節(jié)省功耗。
內(nèi)置軟啟動(dòng)電路，限制啟動(dòng)和模式切換時(shí)的浪涌電流。
具備開/短路LED保護(hù)功能，提高系統(tǒng)的可靠性。
無電感設(shè)計(jì)，減少了電磁干擾。
采用20引腳3mm×3mm QFN封裝，體積小巧，適合空間受限的應(yīng)用。

應(yīng)用領(lǐng)域

LTC3230適用于多種電子設(shè)備，如手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)和PND等。在這些設(shè)備中，它可以為多個(gè)LED提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)通過雙LDO為系統(tǒng)的其他部分提供電源，滿足設(shè)備對(duì)高效電源管理和精準(zhǔn)LED控制的需求。

工作原理

電源管理

LTC3230使用開關(guān)電容電荷泵將CPO電壓提升至最高2倍輸入電壓（最高5V）。啟動(dòng)時(shí)處于1x模式，當(dāng)檢測到任何LED電流源出現(xiàn)壓降時(shí)，會(huì)依次切換到1.5x和2x模式。電荷泵由2相非重疊時(shí)鐘激活，在2x模式下，飛跨電容在交替時(shí)鐘相位從輸入電壓充電，以最小化CPO電壓紋波；在1.5x模式下，飛跨電容在第一個(gè)時(shí)鐘相位串聯(lián)充電，在第二個(gè)相位并聯(lián)堆疊在輸入電壓上。

LED電流控制

主、副LED電流由可編程電流源控制，通過ENM和ENS引腳以及RSET引腳的電阻值進(jìn)行編程。通過對(duì)ENS和ENM引腳施加最多31個(gè)脈沖，可對(duì)內(nèi)部5位DAC進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)，從而設(shè)置LED電流。當(dāng)達(dá)到所需計(jì)數(shù)時(shí)，保持使能脈沖為高電平，輸出電流將在典型的150μs延遲后設(shè)置為編程值。

電荷泵軟啟動(dòng)

在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，CPO與輸入電壓斷開，并通過14.3k電阻下拉。啟用時(shí)，一個(gè)弱開關(guān)將輸入電壓連接到CPO，使輸入電壓緩慢對(duì)CPO輸出充電，防止大充電電流。同時(shí)，電荷泵在切換到升壓模式時(shí)采用軟啟動(dòng)功能，在典型的50μs內(nèi)線性增加CPO引腳的可用電流，防止浪涌電流和電源壓降。

電荷泵強(qiáng)度和調(diào)節(jié)

通過感測CPO引腳的電壓并根據(jù)誤差信號(hào)調(diào)制電荷泵強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。CPO調(diào)節(jié)電壓在內(nèi)部設(shè)置，取決于電荷泵模式。在1.5x或2x模式下，電荷泵可建模為戴維南等效電路，根據(jù)有效輸入電壓和有效開環(huán)輸出電阻確定可用電流。

LDO操作

兩個(gè)LDO可獨(dú)立啟用，啟用時(shí)，每個(gè)LDO從輸入電源消耗額外的電流。LDO輸出電壓通過V1和V2引腳設(shè)置，啟用時(shí)參考輸入斜坡上升，提供典型100μs的輸出軟啟動(dòng)；禁用時(shí)，輸出通過11.5k電阻拉至地。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電容選擇

VIN和CPO電容：建議使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容，以減少噪聲和紋波。CPO電容的大小直接影響輸出紋波，增大電容可減少紋波，但會(huì)增加啟動(dòng)時(shí)間。輸出電容的類型和值還會(huì)影響LTC3230的穩(wěn)定性，建議輸出電容在所有條件下保持至少0.6μF的電容值，且ESR不超過100mΩ。
飛跨電容：必須使用陶瓷電容，每個(gè)飛跨電容的電容值至少為0.6μF，以確保電荷泵的強(qiáng)度。不同材料的電容在高溫和高壓下的電容損失率不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的電容。

布局考慮

由于LTC3230的高開關(guān)頻率和瞬態(tài)電流，需要進(jìn)行精心的電路板布局。采用真正的接地平面和短連接到所有電容，可提高性能并確保在所有條件下的正確調(diào)節(jié)。同時(shí)，要注意飛跨電容引腳的高邊沿速率波形可能會(huì)耦合能量到相鄰的PCB走線，可通過在敏感節(jié)點(diǎn)和LTC3230引腳之間設(shè)置接地PCB走線進(jìn)行屏蔽。

功率效率計(jì)算

功率效率通過LED功率與輸入功率的比值計(jì)算。在不同模式下，效率的計(jì)算公式不同。例如，在1x模式下，效率近似為LED電壓與輸入電壓的比值；在1.5x和2x模式下，效率與線性調(diào)節(jié)器類似，有效輸入電壓分別為實(shí)際輸入電壓的1.5倍和2倍。

熱管理

在高輸入電壓和最大輸出電流時(shí)，LTC3230可能會(huì)有較大的功率耗散。為降低最大結(jié)溫，建議將暴露焊盤連接到接地平面，并在器件下方保持一個(gè)堅(jiān)實(shí)的接地平面，以減少封裝和PCB的熱阻。其內(nèi)置的熱關(guān)斷電路可保護(hù)器件免受短期瞬態(tài)事件的影響，但連續(xù)運(yùn)行時(shí)最大額定結(jié)溫為125°C。