LTC3528-2：高效同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與應(yīng)用

一、引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計中，DC/DC轉(zhuǎn)換器扮演著至關(guān)重要的角色。特別是在一些對電源效率、體積和性能有較高要求的應(yīng)用場景中，選擇一款合適的DC/DC轉(zhuǎn)換器顯得尤為關(guān)鍵。LTC3528-2作為一款1A、2MHz的同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，以其出色的性能和緊湊的封裝，為工程師們提供了一個優(yōu)秀的解決方案。本文將詳細(xì)介紹LTC3528-2的特點、工作原理、應(yīng)用以及設(shè)計注意事項，希望能為電子工程師們在電源設(shè)計方面提供一些參考。

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二、LTC3528-2的特點

2.1 電源輸出能力

LTC3528-2能夠從單節(jié)堿性或鎳氫電池中輸出3.3V、200mA的功率，或者從兩節(jié)電池中輸出3.3V、400mA的功率。其輸入啟動電壓低至700mV，輸入電壓范圍為0.50V至5.5V，輸出電壓范圍為1.6V至5.25V，能夠滿足多種不同的電源需求。

2.2 高效性能

該轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)94%的效率，能夠有效減少能量損耗，延長電池的使用時間。同時，它還采用了內(nèi)部同步整流技術(shù)，進(jìn)一步提高了效率。

2.3 低功耗設(shè)計

在輕負(fù)載時，LTC3528-2會進(jìn)入Burst Mode? 工作模式，此時靜態(tài)電流僅為12μA。在邏輯控制的關(guān)斷模式下，電流小于1μA，大大降低了功耗。

2.4 其他特性

• 2MHz的固定頻率操作，允許使用小型、低剖面的電感器和陶瓷電容器，從而減小解決方案的占地面積。
• 具有輸出斷開功能，可實現(xiàn)真正的輸出斷開，避免在關(guān)機時從輸入源吸取電流。
• 集成軟啟動功能，可限制啟動時的浪涌電流。
• 采用電流模式控制和內(nèi)部補償，簡化了設(shè)計過程。
• 具備抗振鈴控制功能，可減少電磁干擾（EMI）。
• 采用低剖面（2mm × 3mm × 0.75mm）的DFN封裝，適合空間受限的應(yīng)用。

三、工作原理

3.1 啟動過程

LTC3528-2包含一個獨立的啟動振蕩器，設(shè)計用于在0.70V（典型值）的輸入電壓下工作。在啟動過程中，提供軟啟動和浪涌電流限制功能。當(dāng)輸入電壓 (V{IN}) 或輸出電壓 (V{OUT}) 超過1.6V（典型值）時，IC進(jìn)入正常工作模式。一旦輸出電壓超過輸入電壓0.24V，IC將從 (V{OUT}) 而不是 (V{IN}) 為自身供電，此時內(nèi)部電路不再依賴 (V_{IN}) 輸入電壓，從而消除了對大輸入電容的需求。

3.2 固定頻率操作

內(nèi)部振蕩器將工作頻率設(shè)置為2MHz。在正常工作模式下，LTC3528-2采用固定頻率、電流模式PWM控制，以實現(xiàn)出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)。自適應(yīng)斜率補償?shù)碾娏髂Ｊ郊軜?gòu)提供了出色的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)，并減少了對輸出濾波的需求。

3.3 軟啟動

內(nèi)部軟啟動電路將峰值電感電流從零緩慢斜坡上升到其峰值1.5A（典型值），允許在重負(fù)載下啟動。軟啟動時間約為0.5ms。在命令關(guān)機或熱關(guān)機的情況下，軟啟動電路將被重置。

3.4 電流控制

• 電流感應(yīng)：無損電流感應(yīng)將N溝道MOSFET開關(guān)的峰值電流信號轉(zhuǎn)換為電壓，并與內(nèi)部斜率補償相加。相加后的信號與誤差放大器輸出進(jìn)行比較，以提供PWM的峰值電流控制命令。
• 電流限制：當(dāng)N溝道MOSFET開關(guān)的電流達(dá)到閾值時，電流限制比較器將關(guān)閉該開關(guān)。電流限制比較器到輸出的延遲時間通常為60ns。峰值開關(guān)電流限制在約1.5A，與輸入或輸出電壓無關(guān)，除非 (V_{OUT}) 降至0.7V以下，此時電流限制將減半。
• 零電流比較器：零電流比較器監(jiān)測流向輸出的電感電流，當(dāng)該電流降至約20mA時，關(guān)閉同步整流器，防止電感電流極性反轉(zhuǎn)，提高輕負(fù)載時的效率。

3.5 同步整流

P溝道MOSFET同步整流器僅在 (V{OUT} > (V{IN} + 0.24V)) 時啟用，以控制浪涌電流并防止在 (V{OUT}) 接近 (V{IN}) 時電感電流失控。

3.6 抗振鈴控制

抗振鈴控制在電感兩端連接一個電阻，以防止在不連續(xù)電流模式操作期間SW引腳出現(xiàn)高頻振鈴。L和 (C_{SW})（SW引腳的電容）形成的諧振電路的振鈴能量較低，但可能會導(dǎo)致EMI輻射。

3.7 輸出斷開

LTC3528-2通過消除內(nèi)部P溝道MOSFET整流器的體二極管導(dǎo)通，實現(xiàn)真正的輸出斷開。這允許在關(guān)機時 (V{OUT}) 降至零伏，不從輸入源吸取電流。同時，它還能在啟動時限制浪涌電流，減少輸入電源看到的浪涌電流。需要注意的是，為了獲得輸出斷開的優(yōu)勢，不能在SW和 (V{OUT}) 之間連接肖特基二極管。

3.8 熱關(guān)機

如果芯片溫度超過160°C，LTC3528-2將進(jìn)入熱關(guān)機狀態(tài)。所有開關(guān)將關(guān)閉，軟啟動電容將放電。當(dāng)芯片溫度下降約15°C時，設(shè)備將再次啟用。

3.9 Burst Mode? 操作

在輕負(fù)載電流下，LTC3528-2將自動進(jìn)入Burst Mode操作，并在負(fù)載增加時返回固定頻率PWM模式。通過調(diào)整電感值可以改變進(jìn)入Burst Mode操作的負(fù)載電流。在Burst Mode操作中，LTC3528-2以2MHz的固定頻率繼續(xù)開關(guān)，使用相同的誤差放大器和環(huán)路補償進(jìn)行峰值電流模式控制，以最小化模式切換時的輸出瞬變。在Burst Mode操作中，能量被輸送到輸出，直到達(dá)到標(biāo)稱調(diào)節(jié)值，然后LTC3528-2過渡到睡眠模式，此時輸出關(guān)閉，僅從 (V_{OUT}) 消耗12μA的靜態(tài)電流。一旦輸出電壓略有下降，開關(guān)將再次恢復(fù)。通過最小化開關(guān)和靜態(tài)電流損耗，在非常輕的負(fù)載下實現(xiàn)了效率最大化。Burst Mode輸出紋波通常為1%峰 - 峰，可以通過使用更大的輸出電容（10μF或更大）來降低。

四、應(yīng)用場景

4.1 醫(yī)療儀器

在醫(yī)療儀器中，對電源的穩(wěn)定性和效率要求較高。LTC3528-2的低輸入電壓啟動能力和高效性能，能夠為醫(yī)療儀器提供可靠的電源支持，延長電池使用時間。

4.2 降噪耳機

降噪耳機需要穩(wěn)定的電源來驅(qū)動降噪電路。LTC3528-2的低功耗設(shè)計和小封裝尺寸，適合用于降噪耳機的電源設(shè)計，減少耳機的體積和重量。

4.3 無線鼠標(biāo)和藍(lán)牙耳機

這些設(shè)備通常由電池供電，對電源的效率和體積有較高要求。LTC3528-2的高效性能和緊湊封裝，能夠滿足無線鼠標(biāo)和藍(lán)牙耳機的電源需求，延長電池續(xù)航時間。

五、設(shè)計注意事項

5.1 組件選擇

• 電感器選擇：由于LTC3528-2的快速2MHz開關(guān)頻率，可使用小型表面貼裝芯片電感器。電感值在1.5μH至3.3μH之間適用于大多數(shù)應(yīng)用。較大的電感值可以通過減少電感紋波電流來提高輸出電流能力，但電感值超過10μH時，尺寸會增加，而輸出電流能力的提升有限。電感的最小電感值可通過公式 (L > frac{V{IN(MIN)} cdot (V{OUT(MAX)} - V{IN(MIN)})}{2 cdot Ripple cdot V{OUT(MAX)}} mu H) 計算，其中 (Ripple) 為允許的電感電流紋波（安培峰值），(V{IN(MIN)}) 為最小輸入電壓，(V{OUT(MAX)}) 為最大輸出電壓。電感電流紋波通常設(shè)置為最大電感電流的20%至40%。高頻鐵氧體磁芯電感材料與較便宜的粉末鐵類型相比，可減少頻率相關(guān)的功率損耗，提高效率。電感應(yīng)具有低ESR（繞組的串聯(lián)電阻），以減少 (I^{2}R) 損耗，并且必須能夠承受峰值電感電流而不飽和度。為了最小化輻射噪聲，建議使用屏蔽電感。
• 輸出和輸入電容選擇：應(yīng)使用低ESR（等效串聯(lián)電阻）的電容器來最小化輸出電壓紋波。多層陶瓷電容器是一個很好的選擇，因為它們具有極低的ESR，并且占用空間小。對于大多數(shù)應(yīng)用，10μF至22μF的輸出電容就足夠了。更大的值可以用于獲得極低的輸出電壓紋波和改善瞬態(tài)響應(yīng)。X5R和X7R介電材料因其在寬電壓和溫度范圍內(nèi)保持電容的能力而受到青睞，Y5V類型不建議使用。內(nèi)部環(huán)路補償設(shè)計為在輸出電容值為10μF或更大時保持穩(wěn)定。雖然推薦使用陶瓷電容器，但低ESR鉭電容器也可以使用。在有大負(fù)載瞬變的苛刻應(yīng)用中，可以使用一個小陶瓷電容器與一個較大的鉭電容器并聯(lián)。另一種改善瞬態(tài)響應(yīng)的方法是在反饋分壓器的頂部電阻上跨接一個小的前饋電容器（從 (V_{OUT}) 到FB），典型值為68pF通常就足夠了。低ESR輸入電容器可以減少輸入開關(guān)噪聲，并減少從電池吸取的峰值電流。因此，陶瓷電容器也是輸入去耦的好選擇，應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。對于大多數(shù)應(yīng)用，10μF的輸入電容就足夠了，更大的值可以無限制使用。

5.2 PCB布局

LTC3528-2的高速操作要求對電路板布局給予仔細(xì)關(guān)注。粗心的布局將無法實現(xiàn)所宣傳的性能。建議的組件放置應(yīng)確保大的接地銅面積，并將封裝背面的金屬焊盤正確焊接，以幫助降低芯片溫度。多層板帶有單獨的接地平面是理想的，但不是絕對必要的。

5.3 其他注意事項

• 在驅(qū)動SHDN引腳高于 (V{IN}) 時，為了避免進(jìn)入專有測試模式，必須采用電阻分壓器或其他方法將SHDN引腳電壓限制在 ((V{IN} + 0.4V)) 以下。
• 雖然添加肖特基二極管從SW到 (V_{OUT}) 可以提高約2%的效率，但這會破壞輸出斷開和短路保護功能。

六、總結(jié)

LTC3528-2是一款性能出色的同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有低輸入電壓啟動、高效、低功耗、小封裝等優(yōu)點，適用于多種應(yīng)用場景。在設(shè)計過程中，合理選擇組件和優(yōu)化PCB布局是確保其性能的關(guān)鍵。希望本文能夠幫助電子工程師們更好地了解和應(yīng)用LTC3528-2，為電源設(shè)計提供有益的參考。你在使用LTC3528-2的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。