LTC3521：高效多輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，如何高效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)多電壓輸出是一個(gè)關(guān)鍵問題。LTC3521作為一款集成了1A降壓 - 升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器和雙600mA同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的芯片，為我們提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。下面，我們就來詳細(xì)了解一下LTC3521的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)。

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一、LTC3521的特性亮點(diǎn)

1. 多轉(zhuǎn)換器集成

LTC3521集成了三個(gè)高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè)1A的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器（輸出電壓范圍1.8V - 5.25V）和兩個(gè)600mA的降壓轉(zhuǎn)換器（輸出電壓范圍0.6V - VIN）。這種集成設(shè)計(jì)大大節(jié)省了電路板空間，適用于對空間要求較高的應(yīng)用場景。

2. 寬輸入電壓范圍

其輸入電壓范圍為1.8V - 5.5V，能夠適應(yīng)多種電源輸入，如鋰電池等，增強(qiáng)了其在不同電源環(huán)境下的適用性。

3. 低功耗設(shè)計(jì)

在突發(fā)模式（Burst Mode）下，總靜態(tài)電流僅為30μA，關(guān)機(jī)模式下電流小于2μA，有效降低了功耗，延長了電池續(xù)航時(shí)間。

4. 保護(hù)功能完善

具備熱保護(hù)和過流保護(hù)功能，能夠在異常情況下自動(dòng)保護(hù)芯片，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5. 多種封裝形式

提供4mm × 4mm QFN和熱增強(qiáng)型TSSOP兩種封裝，方便不同的應(yīng)用需求。

二、工作原理剖析

1. 降壓轉(zhuǎn)換器工作模式

• PWM模式：當(dāng)PWM引腳置高時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器采用恒定頻率、電流模式控制架構(gòu)。在每個(gè)振蕩周期開始時(shí)，P溝道開關(guān)導(dǎo)通，直到電流波形與疊加的斜率補(bǔ)償斜坡超過誤差放大器輸出，此時(shí)同步整流器導(dǎo)通，直到電感電流降至零或新的開關(guān)周期開始。在輕負(fù)載時(shí)，電感電流不連續(xù)，提高了效率。
• 突發(fā)模式：當(dāng)PWM引腳置低時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載（約15mA以下）時(shí)自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)模式，在重負(fù)載時(shí)切換到PWM模式。突發(fā)模式的進(jìn)入由峰值電感電流決定，其進(jìn)入閾值與輸入電壓、輸出電壓和電感值有關(guān)。
• 降壓工作：當(dāng)輸入電壓接近輸出調(diào)節(jié)電壓時(shí)，占空比增大，最終達(dá)到100%占空比，輸出電壓由輸入電壓減去主開關(guān)和電感串聯(lián)電阻上的壓降決定。
• 斜率補(bǔ)償：為防止高占空比時(shí)電感電流的次諧波振蕩，LTC3521內(nèi)部對電流檢測信號添加了補(bǔ)償斜坡進(jìn)行斜率補(bǔ)償。并且，電流限制在添加斜率補(bǔ)償斜坡之前進(jìn)行，使峰值電感電流限制與占空比無關(guān)。
• 短路保護(hù)：當(dāng)輸出短路到地時(shí)，誤差放大器飽和，P溝道MOSFET開關(guān)在每個(gè)周期開始時(shí)導(dǎo)通，直到電流限制觸發(fā)。此時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率降至250kHz，軟啟動(dòng)電路重置，同時(shí)PMOS電流限制從1050mA降至700mA。

2. 降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器工作模式

• PWM模式：當(dāng)PWM引腳置高時(shí)，降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器以恒定頻率PWM模式工作，采用電壓模式控制。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，且電感電流和環(huán)路特性無間斷。當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)大于輸出電壓時(shí)，工作在降壓模式；當(dāng)輸入電壓下降，逐漸過渡到降壓 - 升壓模式；當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，工作在升壓模式。
• 誤差放大器和補(bǔ)償：降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器采用電壓模式誤差放大器和內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，外部電阻分壓器中的R2對補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)有重要影響。增大R2值可提高穩(wěn)定性，但會(huì)降低瞬態(tài)響應(yīng)速度；減小R2值則相反。
• 電流限制：降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)電流限制電路。主電流限制是平均電流限制電路，當(dāng)開關(guān)A電流超過限制值時(shí)，向反饋節(jié)點(diǎn)注入電流，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(gè)輔助電流限制電路，當(dāng)電流超過平均電流限制值的約165%時(shí)，關(guān)閉開關(guān)A，提供額外的短路保護(hù)。
• 反向電流限制：開關(guān)D上的反向電流比較器監(jiān)測流入PVOUT的電感電流，當(dāng)電流超過375mA（典型值）時(shí)，開關(guān)D在剩余的開關(guān)周期內(nèi)關(guān)閉。
• 突發(fā)模式：當(dāng)PWM引腳置低時(shí)，降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器采用可變頻率開關(guān)算法，以提高輕負(fù)載效率并降低零負(fù)載時(shí)的待機(jī)電流。在突發(fā)模式下，電感以固定峰值幅度電流脈沖充電，最大輸出電流與輸入和輸出電壓有關(guān)。此時(shí)，誤差放大器進(jìn)入低電流待機(jī)模式，以降低電源電流。
• 軟啟動(dòng)：降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部電壓模式軟啟動(dòng)電路，持續(xù)時(shí)間為600μs。在軟啟動(dòng)期間，轉(zhuǎn)換器保持調(diào)節(jié)狀態(tài)，輸出電壓上升時(shí)間對輸出電容大小和負(fù)載的依賴性較小。并且，無論P(yáng)WM引腳狀態(tài)如何，軟啟動(dòng)期間轉(zhuǎn)換器都強(qiáng)制進(jìn)入PWM操作。
• PGOOD比較器：PGOOD1引腳是開漏輸出，用于指示降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)。在突發(fā)模式下，當(dāng)反饋電壓低于調(diào)節(jié)電壓9%時(shí)，PGOOD1輸出拉低；輸出電壓恢復(fù)正常時(shí)，有3%的遲滯。在PWM模式下，PGOOD1的操作較為復(fù)雜，在軟啟動(dòng)期間，反饋電壓能正確跟蹤輸出電壓，PGOOD1可用于排序；進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)后，反饋電壓不再跟蹤輸出電壓，但當(dāng)達(dá)到電流限制時(shí)，PGOOD1會(huì)拉低表示故障狀態(tài)。此外，在過熱關(guān)機(jī)、欠壓鎖定或SHDN1引腳拉低時(shí)，PGOOD1也會(huì)拉低。

3. 通用功能

• 熱關(guān)機(jī)：當(dāng)芯片溫度超過150°C時(shí)，三個(gè)轉(zhuǎn)換器均被禁用，所有功率器件關(guān)閉，開關(guān)節(jié)點(diǎn)呈高阻抗。熱關(guān)機(jī)期間，三個(gè)轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)電路重置，當(dāng)芯片溫度降至約140°C時(shí)，轉(zhuǎn)換器重新啟動(dòng)（如果啟用）。
• 欠壓鎖定：當(dāng)電源電壓降至1.7V（典型值）以下時(shí)，三個(gè)轉(zhuǎn)換器均被禁用，功率器件關(guān)閉。欠壓鎖定期間，軟啟動(dòng)電路重置，當(dāng)輸入電壓上升超過欠壓鎖定閾值時(shí)，轉(zhuǎn)換器重新啟動(dòng)。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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，但可能增加串聯(lián)電阻。可根據(jù)所需的峰 - 峰電流紋波計(jì)算電感值，一般建議紋波電流為最大負(fù)載電流的40%（如240mA）。電感的直流電流額定值應(yīng)至少等于最大負(fù)載電流加上一半的紋波電流，以防止磁芯飽和。同時(shí)，為優(yōu)化效率，電感應(yīng)具有低串聯(lián)電阻。在空間受限的應(yīng)用中，可使用較小值的電感，但會(huì)增加紋波電流并降低效率。此外，當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器的占空比超過40%時(shí)，電感值必須至少為(L{MIN}=2.5 cdot V{OUT }(mu H))。
• 降壓 - 升壓電感：為實(shí)現(xiàn)高效率，應(yīng)使用低ESR電感，其飽和額定值應(yīng)大于最壞情況下的平均電感電流加上一半的紋波電流。不同模式下的峰 - 峰電感電流紋波可通過相應(yīng)公式計(jì)算。此外，電感大小還會(huì)影響反饋環(huán)路的穩(wěn)定性，在升壓模式下，較大的電感可能會(huì)降低反饋環(huán)路的相位裕度，因此建議在升壓區(qū)域使用的電感值小于10μH。

2. 電容選擇

• 降壓輸出電容：應(yīng)使用低ESR輸出電容以最小化電壓紋波，多層陶瓷電容是不錯(cuò)的選擇。輸出電容值不僅影響紋波大小，還會(huì)影響環(huán)路的交叉頻率和穩(wěn)定性。存在最小和最大電容值要求，電容值過小會(huì)增加環(huán)路交叉頻率，使環(huán)路易受開關(guān)噪聲影響；電容值過大會(huì)降低交叉頻率，導(dǎo)致相位裕度下降。
• 降壓 - 升壓輸出電容：同樣應(yīng)使用低ESR輸出電容，以最小化輸出電壓紋波。電容應(yīng)足夠大，以將輸出電壓紋波降低到可接受的水平。輸出電容值還會(huì)影響開環(huán)轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)中的諧振頻率位置，為防止相位裕度下降，建議降壓 - 升壓輸出電容的最小值為10μF。
• 輸入電容：(PVIN1)和(PVIN2)引腳建議使用至少4.7μF的低ESR陶瓷電容進(jìn)行旁路，電容應(yīng)盡可能靠近引腳，并具有最短的接地路徑。

3. 輸出電壓編程

• 降壓輸出電壓：通過電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，公式為(V{OUT 2,3}=0.6 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right))。建議在電阻R2上并聯(lián)一個(gè)前饋電容(C{FF})，以提高反饋節(jié)點(diǎn)的抗噪聲能力。
• 降壓 - 升壓輸出電壓：同樣通過電阻分壓器設(shè)置，公式為(V_{OUT 1}=0.6 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right))。R2的值對反饋環(huán)路的動(dòng)態(tài)特性有重要影響，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。

4. PCB布局注意事項(xiàng)

• 保持所有循環(huán)高電流路徑盡可能短，將(PVIN1)和(PVIN2)上的旁路電容盡可能靠近芯片，并確保最短的接地路徑。
• 小信號接地焊盤（GND）應(yīng)單點(diǎn)連接到電源地，可直接將引腳短接到暴露焊盤。
• 所有粗體顯示的組件及其連接應(yīng)放置在完整的接地平面上。
• 每個(gè)電阻分壓器的接地應(yīng)直接返回小信號接地引腳（GND），以防止大循環(huán)電流干擾輸出電壓檢測。
• 在芯片附著焊盤中使用過孔可改善轉(zhuǎn)換器的熱環(huán)境，尤其是當(dāng)過孔延伸到PCB暴露底面的接地平面區(qū)域時(shí)。

四、典型應(yīng)用案例

1. 雙超級電容器備用電源

該應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)將雙超級電容器的電壓轉(zhuǎn)換為3.3V（200mA）、1.8V（50mA）和1.2V（100mA）的輸出，適用于需要備用電源的設(shè)備。

2. 鋰電池多輸出電源

將鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換為3.3V（800mA）、1.8V（600mA）和1.2V（600mA）的輸出，并實(shí)現(xiàn)順序啟動(dòng)，滿足一些對電源啟動(dòng)順序有要求的設(shè)備。

五、相關(guān)產(chǎn)品對比

LTC3521在多輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器市場中有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但市場上也有其他相關(guān)產(chǎn)品可供選擇，如LTC3100、LTC3101等。這些產(chǎn)品在輸出電流、效率、輸入電壓范圍等方面各有特點(diǎn)，工程師可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

總之，LTC3521以其高效、集成度高、功能完善等特點(diǎn)，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(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LTC3521的性能優(yōu)勢。你在使用LTC3521或其他類似芯片時(shí)，遇到過哪些問題和挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。