LTC3521：高效多輸出DC/DC轉換器的設計與應用

在電子設備的電源設計中，如何高效、穩定地實現多電壓輸出是一個關鍵問題。LTC3521作為一款集成了1A降壓 - 升壓DC/DC轉換器和雙600mA同步降壓DC/DC轉換器的芯片，為我們提供了一個優秀的解決方案。下面，我們就來詳細了解一下LTC3521的特點、工作原理以及應用設計。

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一、LTC3521的特性亮點

1. 多轉換器集成

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

2. 寬輸入電壓范圍

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

3. 低功耗設計

在突發模式（Burst Mode）下，總靜態電流僅為30μA，關機模式下電流小于2μA，有效降低了功耗，延長了電池續航時間。

4. 保護功能完善

具備熱保護和過流保護功能，能夠在異常情況下自動保護芯片，提高了系統的可靠性。

5. 多種封裝形式

提供4mm × 4mm QFN和熱增強型TSSOP兩種封裝，方便不同的應用需求。

二、工作原理剖析

1. 降壓轉換器工作模式

• PWM模式：當PWM引腳置高時，降壓轉換器采用恒定頻率、電流模式控制架構。在每個振蕩周期開始時，P溝道開關導通，直到電流波形與疊加的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周期開始。在輕負載時，電感電流不連續，提高了效率。
• 突發模式：當PWM引腳置低時，降壓轉換器在輕負載（約15mA以下）時自動進入突發模式，在重負載時切換到PWM模式。突發模式的進入由峰值電感電流決定，其進入閾值與輸入電壓、輸出電壓和電感值有關。
• 降壓工作：當輸入電壓接近輸出調節電壓時，占空比增大，最終達到100%占空比，輸出電壓由輸入電壓減去主開關和電感串聯電阻上的壓降決定。
• 斜率補償：為防止高占空比時電感電流的次諧波振蕩，LTC3521內部對電流檢測信號添加了補償斜坡進行斜率補償。并且，電流限制在添加斜率補償斜坡之前進行，使峰值電感電流限制與占空比無關。
• 短路保護：當輸出短路到地時，誤差放大器飽和，P溝道MOSFET開關在每個周期開始時導通，直到電流限制觸發。此時，降壓轉換器開關頻率降至250kHz，軟啟動電路重置，同時PMOS電流限制從1050mA降至700mA。

2. 降壓 - 升壓轉換器工作模式

• PWM模式：當PWM引腳置高時，降壓 - 升壓轉換器以恒定頻率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，且電感電流和環路特性無間斷。當輸入電壓遠大于輸出電壓時，工作在降壓模式；當輸入電壓下降，逐漸過渡到降壓 - 升壓模式；當輸入電壓低于輸出電壓時，工作在升壓模式。
• 誤差放大器和補償：降壓 - 升壓轉換器采用電壓模式誤差放大器和內部補償網絡，外部電阻分壓器中的R2對補償網絡的頻率響應有重要影響。增大R2值可提高穩定性，但會降低瞬態響應速度；減小R2值則相反。
• 電流限制：降壓 - 升壓轉換器有兩個電流限制電路。主電流限制是平均電流限制電路，當開關A電流超過限制值時，向反饋節點注入電流，使誤差放大器輸出降低，從而將開關A的平均電流降至限制值附近。此外，還有一個輔助電流限制電路，當電流超過平均電流限制值的約165%時，關閉開關A，提供額外的短路保護。
• 反向電流限制：開關D上的反向電流比較器監測流入PVOUT的電感電流，當電流超過375mA（典型值）時，開關D在剩余的開關周期內關閉。
• 突發模式：當PWM引腳置低時，降壓 - 升壓轉換器采用可變頻率開關算法，以提高輕負載效率并降低零負載時的待機電流。在突發模式下，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。此時，誤差放大器進入低電流待機模式，以降低電源電流。
• 軟啟動：降壓 - 升壓轉換器具有內部電壓模式軟啟動電路，持續時間為600μs。在軟啟動期間，轉換器保持調節狀態，輸出電壓上升時間對輸出電容大小和負載的依賴性較小。并且，無論PWM引腳狀態如何，軟啟動期間轉換器都強制進入PWM操作。
• PGOOD比較器：PGOOD1引腳是開漏輸出，用于指示降壓 - 升壓轉換器的狀態。在突發模式下，當反饋電壓低于調節電壓9%時，PGOOD1輸出拉低；輸出電壓恢復正常時，有3%的遲滯。在PWM模式下，PGOOD1的操作較為復雜，在軟啟動期間，反饋電壓能正確跟蹤輸出電壓，PGOOD1可用于排序；進入調節狀態后，反饋電壓不再跟蹤輸出電壓，但當達到電流限制時，PGOOD1會拉低表示故障狀態。此外，在過熱關機、欠壓鎖定或SHDN1引腳拉低時，PGOOD1也會拉低。

3. 通用功能

• 熱關機：當芯片溫度超過150°C時，三個轉換器均被禁用，所有功率器件關閉，開關節點呈高阻抗。熱關機期間，三個轉換器的軟啟動電路重置，當芯片溫度降至約140°C時，轉換器重新啟動（如果啟用）。
• 欠壓鎖定：當電源電壓降至1.7V（典型值）以下時，三個轉換器均被禁用，功率器件關閉。欠壓鎖定期間，軟啟動電路重置，當輸入電壓上升超過欠壓鎖定閾值時，轉換器重新啟動。

三、應用設計要點

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，但可能增加串聯電阻。可根據所需的峰 - 峰電流紋波計算電感值，一般建議紋波電流為最大負載電流的40%（如240mA）。電感的直流電流額定值應至少等于最大負載電流加上一半的紋波電流，以防止磁芯飽和。同時，為優化效率，電感應具有低串聯電阻。在空間受限的應用中，可使用較小值的電感，但會增加紋波電流并降低效率。此外，當降壓轉換器的占空比超過40%時，電感值必須至少為(L{MIN}=2.5 cdot V{OUT }(mu H))。
• 降壓 - 升壓電感：為實現高效率，應使用低ESR電感，其飽和額定值應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公式計算。此外，電感大小還會影響反饋環路的穩定性，在升壓模式下，較大的電感可能會降低反饋環路的相位裕度，因此建議在升壓區域使用的電感值小于10μH。

2. 電容選擇

• 降壓輸出電容：應使用低ESR輸出電容以最小化電壓紋波，多層陶瓷電容是不錯的選擇。輸出電容值不僅影響紋波大小，還會影響環路的交叉頻率和穩定性。存在最小和最大電容值要求，電容值過小會增加環路交叉頻率，使環路易受開關噪聲影響；電容值過大會降低交叉頻率，導致相位裕度下降。
• 降壓 - 升壓輸出電容：同樣應使用低ESR輸出電容，以最小化輸出電壓紋波。電容應足夠大，以將輸出電壓紋波降低到可接受的水平。輸出電容值還會影響開環轉換器傳遞函數中的諧振頻率位置，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陶瓷電容進行旁路，電容應盡可能靠近引腳，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上并聯一個前饋電容(C{FF})，以提高反饋節點的抗噪聲能力。
• 降壓 - 升壓輸出電壓：同樣通過電阻分壓器設置，公式為(V_{OUT 1}=0.6 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right))。R2的值對反饋環路的動態特性有重要影響，可根據具體應用需求進行調整。

4. PCB布局注意事項

• 保持所有循環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）應單點連接到電源地，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放置在完整的接地平面上。
• 每個電阻分壓器的接地應直接返回小信號接地引腳（GND），以防止大循環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換器的熱環境，尤其是當過孔延伸到PCB暴露底面的接地平面區域時。

四、典型應用案例

1. 雙超級電容器備用電源

該應用可實現將雙超級電容器的電壓轉換為3.3V（200mA）、1.8V（50mA）和1.2V（100mA）的輸出，適用于需要備用電源的設備。

2. 鋰電池多輸出電源

將鋰電池的電壓轉換為3.3V（800mA）、1.8V（600mA）和1.2V（600mA）的輸出，并實現順序啟動，滿足一些對電源啟動順序有要求的設備。

五、相關產品對比

LTC3521在多輸出DC/DC轉換器市場中有其獨特的優勢，但市場上也有其他相關產品可供選擇，如LTC3100、LTC3101等。這些產品在輸出電流、效率、輸入電壓范圍等方面各有特點，工程師可根據具體應用需求進行選擇。

總之，LTC3521以其高效、集成度高、功能完善等特點，為電子工程師在電源設計中提供了一個可靠的選擇。在實際應用中，我們需要根據具體需求，合理選擇外部組件，并注意PCB布局，以充分發揮LTC3521的性能優勢。你在使用LTC3521或其他類似芯片時，遇到過哪些問題和挑戰呢？歡迎在評論區分享交流。