電子工程師的寶藏——LTC3456多輸出DC/DC轉換器解析

在電子設計的世界里，對于為各種便攜式設備供電的電源管理系統IC，工程師們一直在尋找高效、緊湊且功能豐富的解決方案。今天，我們就來深入剖析一款這樣的神器——LTC3456 2 - Cell，多輸出DC/DC轉換器。

文件下載：LTC3456.pdf

一、LTC3456的基本概況

LTC3456是一款專門為各種便攜式應用優化的完整電源管理系統IC，它能從三種電源（電池、USB或交流壁式適配器）中獲取能量，提供兩個獨立的電源軌：一個固定的3.3V主電源和一個可調節的0.8V至 (V{BATI(MIN)}) 的內核電源。另外，它還集成了USB電源管理器、熱插拔輸出、低電量指示器和始終供電的 (V{MAX}) 輸出等功能。

1.1 特性亮點

• 無縫切換：能夠在 2 節電池、USB 和交流壁式適配器輸入電源之間進行無縫切換，這在實際使用中，能讓設備靈活地適應不同的供電環境，大大提高了設備的實用性。
• 多輸出優勢：主輸出固定為 3.3V，內核輸出可在 0.8V 到 (V_{BATT(MIN)}) 之間調節，熱插拔輸出可用于為存儲卡供電，并且所有輸出在關機時都會放電到地，確保了設備的安全和穩定。
• 高效高頻：它采用 1MHz 的高頻運行，不僅提高了效率（最高可達 92%），還能使用小型的 4mm × 4mm × 0.75mm 24 - 引腳 QFN 封裝，非常適合對空間要求敏感的便攜式設備。

1.2 應用領域

LTC3456的特性決定了它在眾多便攜式設備中都能大顯身手，像GPS便攜式導航儀、MP3播放器、數碼相機和手持計算機等，都是它常見的應用場景。

二、LTC3456的引腳及其功能

2.1 輸入相關引腳

• (V_{BATT})（引腳 4）：這是電池輸入引腳，輸入電壓范圍在 1.8V 到 3.2V 之間，需要用 1μF（或更大）的 X5R 或 X7R 型陶瓷電容進行本地旁路，以保證電源的穩定。
• USB（引腳 10）：作為 USB 輸入電源引腳，其輸入電流可根據 USBHP 引腳的狀態限制在 100mA 或 500mA。使用時，要在該引腳和地之間串聯一個 4.7μF（X5R 或 X7R 型）陶瓷電容和一個 1Ω 電阻。
• (V_{EXT})（引腳 9）：外部電源引腳，通過一個內部 0.5Ω（典型值）的 PMOS 開關連接到 USB 引腳。交流壁式適配器可以通過一個肖特基二極管連接到該引腳。同時，要在該引腳和地之間連接一個 10μF 的 X5R 或 X7R 型陶瓷電容。

2.2 輸出及控制相關引腳

• (V_{INT})（引腳 15）：內部電源電壓引腳，電壓被穩定在 3.3V，為芯片的大部分內部電路供電。不過要注意，不要對這個輸出進行過大的負載。
• (V_{MAIN})（引腳 16）：主調節器輸出引腳，通過一個 0.4Ω（典型值）的 PMOS 開關在核心電壓穩定 0.8ms（典型值）后連接到 (V_{INT}) 引腳，確保了外設電路總是在微處理器之后上電。
• HSO（引腳 17）：熱插拔輸出引腳，可用于為閃存卡供電。在 (V{INT}) 和核心輸出電壓穩定后，它通過一個 0.8Ω（典型值）的 PMOS 開關在 0.5ms 后連接到 (V{INT}) 引腳，并且具有短路和反向電壓阻斷保護功能。
• PWRKEY（引腳 19）和 PWRON（引腳 21）：PWRKEY 引腳通常連接一個瞬動按鈕開關來開啟 LTC3456，而 PWRON 引腳由微處理器控制，拉高時開啟芯片。
• MODE（引腳 22）：用于選擇突發模式（Burst Mode）或 PWM 模式。當該引腳拉高且電池供電時，芯片會在輕負載時自動進入突發模式，以提高效率；拉低時則強制進入 PWM 模式，可提供最低的輸出電壓紋波和電流紋波。

三、LTC3456的工作模式

3.1 電池供電模式

當使用 2 節堿性、鎳鎘或鎳氫電池供電時，輸入電池電壓范圍為 1.8V 到 3.2V。啟用后，內部 3.3V 的 (V_{INT}) 電壓通過升壓調節器產生，接著核心輸出（1.8V）通過降壓調節器產生，最后主輸出和熱插拔輸出在核心輸出穩定后延遲上電。

3.2 交流壁式適配器供電模式

交流壁式適配器通過二極管 D1 連接到 (V{EXT}) 引腳。當 WALLFB 引腳電壓高于 1.25V 時，芯片將從交流適配器獲取所有電源。啟用后，板載電壓檢測器檢查 (V{EXT}) 電壓，若大于 4V，(V_{INT})、核心輸出、主輸出和熱插拔輸出將按順序上電。

3.3 USB 供電模式

LTC3456 通過內部電流限制的 0.5Ω（典型值）PMOS 開關與 USB 控制器總線接口，USBHP 引腳用于設置 USB 電流限制。當 USB 引腳電壓大于 4V 且 SUSPEND 引腳為低電平時，USB 通過 PMOS 開關連接到 (V{EXT}) 引腳。當 (V{EXT}) 引腳電壓高于 4V 時，(V_{INT})、核心輸出、主輸出和熱插拔輸出按順序上電。

四、LTC3456的保護特性

4.1 輸出斷開和浪涌電流限制

在電池供電（升壓拓撲）時，LTC3456 能實現真正的輸出斷開，通過斷開同步 PMOS 開關的體二極管與輸出的連接，使 (V_{INT}) 在關機時能接地。同時，它還具備上電時的浪涌電流限制功能，將浪涌電流調節到 600mA（典型值）。

4.2 短路保護

無論是 USB 或壁式適配器供電（降壓拓撲），還是電池供電（升壓拓撲），LTC3456 都能對主調節器輸出提供短路保護，防止電感電流失控。

4.3 過熱保護

當芯片的結溫超過 150°C 時，核心、主和熱插拔輸出將關閉，RESET 引腳拉低。只有當管芯溫度降至 150°C 以下時，核心和主輸出才會恢復供電，不受 PWRKEY 和 PWRON 輸入狀態的影響。

五、LTC3456的設計要點

5.1 元件選擇

• 電感選擇：LTC3456 的高頻運行允許使用小尺寸的表面貼裝電感，電感值一般在 2.2μH 到 10μH 之間。電感的選擇要考慮電感電流紋波（通常設置為最大電感電流的 20% - 40%）、飽和電流額定值和低 DCR（銅電阻）。文中推薦了松下、Sumida、村田和 Toko 等廠家的幾款電感。
• 輸出電容選擇：為了最小化輸出紋波電壓，輸出端應使用低 ESR（等效串聯電阻）電容，多層陶瓷電容是不錯的選擇，建議使用 X7R 或 X5R 電介質，電容值在 1μF 到 22μF 之間。
• 輸入電容選擇：LTC3456 可由電池、USB 或交流壁式適配器供電，輸入旁路電容應選擇 4.7μF 或更高的 X5R 或 X7R 型陶瓷電容。但在對 USB 和交流壁式適配器輸入進行旁路時，要注意陶瓷電容與電源線的雜散布線電感可能形成諧振電路，導致電壓瞬變，可通過鉗位輸入電壓或在陶瓷電容串聯一個小電阻來解決。

5.2 輸出電壓編程

核心轉換器的輸出電壓可以通過一個電阻分壓器來設置，公式為 (V_{CORE }=0.8 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) ，選擇 1% 精度的電阻可獲得更好的準確性，R1 應選擇 80.6k 或更小的值以提高抗噪能力。

5.3 交流適配器 UVLO 電壓編程

交流壁式適配器的 UVLO 電壓可以通過一個電阻分壓器連接在交流壁式適配器兩端來設置，公式為 (V{ADAPTER(MIN) }=1.25 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) ，選擇 1% 精度的電阻，確保交流適配器 UVLO 電壓設置得足夠高，以使 (V{EXT}>4 ~V) 。

5.4 整流二極管選擇

連接 (V{EXT}) 引腳和交流適配器輸入的二極管 D1，推薦使用肖特基二極管，以最小化從交流適配器到 (V{EXT}) 引腳的電壓降。要選擇電流額定值足夠高、反向漏電流低的二極管，如 ON Semiconductor MBRM120E 或 Zetex ZLLS400。

5.5 電路板布局考慮

在 PCB 設計中，要特別注意高頻率開關路徑的布局，以防止電磁干擾（EMI）問題。盡量縮短和減小與開關節點引腳（SW1、SW2_BK、SW2_BST）連接的所有走線的長度和面積，將反饋引腳 FB1 和 AIN 遠離開關節點。同時，QFN 封裝的暴露焊盤必須連接到系統地，反饋電阻的接地連接應直接連接到接地平面。

六、設計實例分析

以一個由 2 節 AA 電池供電的 GPS 導航儀應用為例，核心輸出需要 1.8V，最大負載電流 200mA；主輸出需要 3.3V，最大負載電流 200mA。通過計算電感電流紋波，選擇合適的電感和電容，最終設計出一個高效、穩定的電源電路，同時還給出了不同供電模式下的效率曲線。

七、總結

LTC3456 作為一款功能強大的電源管理系統 IC，憑借其豐富的功能、高效的性能和緊湊的封裝，在便攜式設備電源設計中具有很大的優勢。不過，在實際應用中，我們需要根據具體的設計需求，合理選擇元件、進行電壓編程和精心布局電路板，以充分發揮其性能，并確保設備的穩定性和可靠性。各位工程師在遇到便攜式設備電源設計難題時，不妨考慮一下 LTC3456，說不定它會給你帶來意想不到的效果。大家在使用 LTC3456 過程中有什么獨特的經驗或遇到的問題，歡迎留言分享交流！