LTC3522：高性能雙路DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)電源高效轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件。今天，我們要深入探討的是凌力爾特（Linear Technology）公司的LTC3522，一款集400mA降壓 - 升壓和200mA降壓轉(zhuǎn)換器于一體的高性能芯片。

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一、LTC3522芯片特性

1. 雙路高效DC/DC轉(zhuǎn)換器

LTC3522集成了一個400mA的降壓 - 升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器和一個200mA的同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍為2.2V至5.25V，當輸入電壓 (V{IN }>3V) 且輸出電壓 (V{OUT }=3.3V) 時，輸出電流可達400mA；降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍為0.6V至輸入電壓，最大輸出電流為200mA。

2. 寬輸入電壓范圍

支持2.4V至5.5V的輸入電壓范圍，這使得它能夠適應(yīng)多種電源供電，如鋰電池等。

3. 引腳可選的突發(fā)模式（Burst Mode?）操作

在突發(fā)模式下，兩個轉(zhuǎn)換器的總靜態(tài)電流可降低至25μA，有助于提高輕載時的效率，延長電池續(xù)航時間。

4. 獨立的電源良好指示輸出

PGOOD1和PGOOD2引腳分別指示降壓 - 升壓和降壓轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，方便系統(tǒng)監(jiān)控和故障診斷。

5. 集成軟啟動和保護功能

集成軟啟動功能，可避免啟動時的電流沖擊；同時具備熱保護和過流保護，提高了芯片的可靠性。

6. 低靜態(tài)電流和小封裝

在關(guān)機模式下，靜態(tài)電流小于1μA；采用0.75mm × 3mm × 3mm的QFN封裝，節(jié)省了電路板空間。

二、工作原理與模式

1. 降壓轉(zhuǎn)換器

• PWM模式：當PWM引腳置高時，降壓轉(zhuǎn)換器采用恒定頻率、電流模式控制架構(gòu)。主開關(guān)（P溝道MOSFET）和同步整流器（N溝道MOSFET）均為內(nèi)部集成。在每個振蕩周期開始時，P溝道開關(guān)導通，直到電流波形疊加斜率補償斜坡超過誤差放大器輸出，此時同步整流器導通，直到電感電流降至零或新的開關(guān)周期開始。
• 突發(fā)模式：當PWM引腳置低時，在輕載（約低于10mA）時自動進入突發(fā)模式，重載時切換到PWM模式。突發(fā)模式的進入取決于電感峰值電流，具體閾值與輸入電壓、輸出電壓和電感值有關(guān)。
• 降壓操作：當輸入電壓接近輸出調(diào)節(jié)電壓時，占空比增大，直至達到100%占空比，此時主開關(guān)持續(xù)導通，輸出電壓等于輸入電壓減去主開關(guān)和電感的電阻壓降。
• 斜率補償：為防止高占空比時電感電流波形出現(xiàn)次諧波振蕩，LTC3522內(nèi)部采用斜率補償技術(shù)。與一些IC不同，它在添加斜率補償斜坡之前進行電流限制，因此峰值電感電流限制與占空比無關(guān)。
• 短路保護：當輸出短路到地時，誤差放大器飽和，P溝道MOSFET開關(guān)在每個周期開始時導通，直到電流限制觸發(fā)。為防止電感電流失控，當FB2引腳電壓低于0.3V時，開關(guān)頻率降低至約250kHz。

  2. 降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器

• PWM模式：當PWM引腳置高時，降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器采用恒定頻率PWM模式和電壓模式控制。其專有開關(guān)算法可在降壓、降壓 - 升壓和升壓模式之間無縫切換，確保電感電流和環(huán)路特性的連續(xù)性。
• 誤差放大器和補償：采用電壓模式誤差放大器和內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)。外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)中的R2對補償網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)有重要影響，調(diào)整R2的值可以優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)。增大R2可提高穩(wěn)定性，但會降低瞬態(tài)響應(yīng)速度；減小R2則相反。
• 電流限制：具有兩個電流限制電路。主電流限制為平均電流限制，通過向反饋節(jié)點注入與開關(guān)A電流超過限制值成比例的電流，使誤差放大器輸出降低，從而將開關(guān)A的平均電流降至限制值附近。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165%時，關(guān)閉開關(guān)A，提供額外的短路保護。
• 反向電流限制：開關(guān)D上的反向電流比較器監(jiān)測流入 (Vout1) 的電感電流，當電流超過250mA（典型值）時，開關(guān)D在剩余的開關(guān)周期內(nèi)關(guān)閉。
• 突發(fā)模式：當PWM引腳置低時，降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器采用可變頻率開關(guān)算法，以提高輕載效率和降低零負載時的待機電流。在突發(fā)模式下，電感以固定峰值幅度的電流脈沖充電，脈沖重復頻率根據(jù)輸出調(diào)節(jié)電壓的需要進行調(diào)整。可提供的典型輸出電流與輸入和輸出電壓有關(guān)，計算公式為 (OUT(MAX), BURST =frac{0.11 cdot V{IN}}{V{IN}+V_{OUT }}(A))。

三、應(yīng)用設(shè)計要點

1. 電感選擇

• 降壓電感：電感值影響效率和輸出電壓紋波。較大的電感值可降低電感電流紋波和輸出電壓紋波，但同一系列中較大值的電感通常具有更大的串聯(lián)電阻，會抵消部分效率優(yōu)勢?？筛鶕?jù)所需的峰 - 峰電流紋波 (Delta l{L}) 計算所需電感值：(L=frac{1}{f Delta l{L}} V{OUT }left(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)(mu H))，其中f為開關(guān)頻率（MHz）。建議選擇紋波電流 (Delta I{L}=80mA)，電感的直流電流額定值應(yīng)至少等于最大負載電流加上紋波電流的一半，以防止磁芯飽和。此外，為保證電流環(huán)路的穩(wěn)定性，當降壓轉(zhuǎn)換器占空比超過40%時，電感值應(yīng)至少為 (L{MIN }=2.5 cdot V{OUT }(mu H))。
• 降壓 - 升壓電感：為實現(xiàn)高效率，應(yīng)選擇低ESR電感。電感的飽和額定值應(yīng)大于最壞情況下的平均電感電流加上紋波電流的一半。不同工作模式下的峰 - 峰電感電流紋波可通過相應(yīng)公式計算。此外，電感大小還會影響反饋環(huán)路的穩(wěn)定性，在升壓模式下，建議電感值小于10μH。

  2. 電容選擇

• 降壓輸出電容：應(yīng)選用低ESR輸出電容，如多層陶瓷電容，以最小化輸出電壓紋波。電容值還會影響環(huán)路交叉頻率和穩(wěn)定性，不同輸出電壓對應(yīng)的電容范圍有所不同，具體可參考數(shù)據(jù)表中的建議。
• 降壓 - 升壓輸出電容：同樣需選用低ESR輸出電容，以降低輸出電壓紋波。電容值應(yīng)足夠大，以將輸出電壓紋波降低到可接受的水平。同時，電容值還會影響開環(huán)轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)中的諧振頻率位置，建議最小電容值為4.7μF。
• 輸入電容：(PVIN1) 和 (PVIN2) 引腳分別為降壓 - 升壓和降壓轉(zhuǎn)換器提供電源，建議使用至少4.7μF的低ESR陶瓷電容進行旁路，并將電容盡可能靠近引腳放置，以縮短接地路徑。

  3. 輸出電壓編程

• 降壓轉(zhuǎn)換器：輸出電壓通過電阻分壓器設(shè)置，公式為 (V{OUT }=0.594 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right))。建議在R2上并聯(lián)一個前饋電容 (C{FF})，以提高反饋節(jié)點的抗噪能力。
• 降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器：輸出電壓同樣通過電阻分壓器設(shè)置，公式為 (V_{OUT }=1 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right))。R2的值對反饋環(huán)路的動態(tài)特性有重要影響，可根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整R2以優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

  4. PCB布局

  由于LTC3522在高頻下切換大電流，PCB布局對其性能至關(guān)重要。以下是一些關(guān)鍵布局建議：

• 保持所有高電流回路盡可能短，將 (PVIN1) 和 (PVIN2) 引腳的旁路電容靠近IC放置，并確保最短的接地路徑。
• 小信號接地焊盤（GND）應(yīng)單點連接到電源地，可將該引腳直接短接到外露焊盤。
• 所有加粗顯示的組件及其連接應(yīng)放置在完整的接地平面上。
• 每個電阻分壓器的接地應(yīng)直接返回小信號接地引腳（GND），以防止大的環(huán)流干擾輸出電壓感測。
• 在裸片附著焊盤中使用過孔可改善轉(zhuǎn)換器的熱環(huán)境，特別是當過孔延伸到PCB外露底面的接地平面區(qū)域時。
• 保持電阻分壓器到反饋引腳FB1和FB2的連接盡可能短，并遠離開關(guān)引腳連接。

四、典型應(yīng)用案例

1. Li - Ion電池供電系統(tǒng)

以Li - Ion電池供電為例，LTC3522可將2.4V至4.2V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為3V/400mA和1.2V/200mA的輸出，滿足不同負載的需求。通過合理選擇電感和電容，可實現(xiàn)高效穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。

2. 便攜式設(shè)備

在便攜式MP3播放器、數(shù)碼相機、PDA和手持PC等設(shè)備中，LTC3522的低靜態(tài)電流和小封裝特性使其成為理想的電源解決方案，有助于延長電池續(xù)航時間和減小設(shè)備體積。

五、總結(jié)

LTC3522作為一款高性能的雙路DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有高效、多功能和小封裝等優(yōu)點。在設(shè)計應(yīng)用時，需要根據(jù)具體需求合理選擇外部組件，并注意PCB布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。通過深入了解其工作原理和特性，電子工程師可以更好地將LTC3522應(yīng)用于各種電源管理系統(tǒng)中。

大家在使用LTC3522的過程中，有沒有遇到過一些獨特的問題或者有什么特別的設(shè)計技巧呢？歡迎在評論區(qū)分享交流！