探索ADI LTC3245：寬輸入范圍的低噪聲降壓 - 升壓電荷泵

電子工程師在進行電源設計時，常常需要面對輸入電壓范圍廣、低噪聲、高效率等多方面的要求。ADI公司的LTC3245寬輸入范圍、低噪聲、250mA降壓 - 升壓電荷泵，就是一款能滿足這些需求的優秀產品。今天我們就來深入了解一下這款器件。

文件下載：LTC3245.pdf

一、LTC3245的關鍵特性

1. 寬輸入電壓范圍

LTC3245的輸入電壓范圍為2.7V至38V，這使得它能適應多種不同的電源環境，無論是低電壓的電池供電系統，還是高電壓的工業電源，都能輕松應對。

2. 低靜態電流

該器件的靜態電流極低，工作時為18μA，關斷時僅4μA。這一特性有助于降低系統功耗，延長電池續航時間，非常適合低功耗應用。

3. 高效率轉換

在12V轉5V的轉換中，效率可達81%。這種高效率的轉換能減少能量損耗，降低芯片發熱，提高系統的穩定性和可靠性。

4. 多模式操作

具備2:1、1:1、1:2三種轉換模式，并能自動切換。內部控制電路會根據輸入電壓和負載條件，自動選擇最優的轉換模式，以實現最高效率。

5. 低噪聲與可選工作模式

采用獨特的恒定頻率架構，輸出噪聲比傳統電荷泵調節器更低。同時，還提供引腳可選的Burst Mode?操作，用戶可以根據實際需求在低噪聲和高效率之間進行權衡。

6. 輸出電壓可選

輸出電壓有固定的3.3V、5V，也可通過外部反饋進行調節，調節范圍為2.5V至5V，滿足了不同應用對輸出電壓的多樣化需求。

7. 過溫與短路保護

內置過溫保護和短路保護功能，當芯片溫度過高或輸出短路時，能自動采取保護措施，避免芯片損壞，提高系統的安全性。

8. 多種封裝形式

提供熱增強型12引腳MSOP和薄型12引腳（3mm × 4mm）DFN封裝，方便不同的PCB布局和散熱設計。

9. 汽車級應用認證

經過AEC - Q100認證，可用于汽車電子控制單元（ECU）、CAN收發器等汽車應用，確保了在汽車環境中的可靠性和穩定性。

二、典型應用場景

1. 汽車ECU/CAN收發器供電

在汽車電子系統中，ECU和CAN收發器對電源的穩定性和可靠性要求極高。LTC3245的寬輸入電壓范圍、低噪聲和高效率特性，能為這些設備提供穩定的電源供應。

2. 工業輔助電源

工業環境中的電源情況復雜，LTC3245可以適應不同的輸入電壓，為工業設備的輔助電路提供可靠的電源。

3. 低功耗12V轉5V轉換

在一些需要將12V電源轉換為5V的低功耗應用中，LTC3245的高效率和低靜態電流特性，能有效降低功耗，提高系統的整體性能。

三、電氣特性詳解

1. 輸入電壓與欠壓鎖定

輸入電壓范圍為2.7V至38V，欠壓鎖定閾值在輸入電壓上升和下降時分別為2.4V和2.2V。這確保了在輸入電壓不穩定時，芯片能正常工作并避免異常啟動。

2. 靜態電流

不同工作模式下的靜態電流不同，在關斷模式下僅4μA，工作時根據不同條件在18μA至40μA之間。低靜態電流有助于降低系統功耗。

3. 輸出電壓調節

固定輸出電壓（5V和3.3V）在不同輸入電壓和負載電流條件下，能保持在一定的范圍內。可調輸出電壓通過外部反饋實現，ADJ引腳在可調模式下會穩定在1.2V。

4. 其他特性

還包括PGOOD引腳的邏輯輸出、振蕩頻率等特性，這些特性共同保證了芯片的正常工作和性能穩定。

四、典型性能曲線分析

1. 輸入電流與輸入電壓關系

輸入工作電流和關斷電流隨輸入電壓的變化而變化。了解這些曲線有助于在不同輸入電壓條件下，評估芯片的功耗情況。

2. 輸出電壓與輸入電壓關系

不同輸出電壓（5V和3.3V）在不同輸入電壓和負載電流下的變化曲線，能幫助我們確定芯片在各種條件下的輸出穩定性。

3. 效率與輸出電流關系

效率曲線顯示了在不同輸出電流下，芯片的轉換效率。這對于優化系統效率、選擇合適的負載電流非常重要。

五、引腳功能與模式選擇

1. 引腳功能

• (V_{IN})：電源輸入引腳，為電荷泵和IC控制電路提供輸入電壓。
• BURST：Burst Mode邏輯輸入引腳，用于選擇低噪聲或Burst Mode操作。
• SEL1和SEL2：邏輯輸入引腳，用于選擇輸出調節模式（固定5V、固定3.3V、可調或關斷）。
• OUTS/ADJ：輸出電壓感測/調節輸入引腳，根據不同模式選擇感測或調節輸出電壓。
• PGOOD：電源良好開漏邏輯輸出引腳，用于指示輸出電壓是否正常。
• (C^{+})和(C^{-})：飛跨電容的正負極連接引腳。
• (V_{OUT})：電荷泵輸出電壓引腳。
• GND：接地引腳，芯片的接地端，需要良好的接地連接。

  2. 模式選擇

  通過SEL1和SEL2引腳的不同組合，可以選擇不同的輸出調節模式。例如，SEL1為低電平、SEL2為高電平時，輸出為固定5V；SEL1和SEL2都為高電平時，輸出為固定3.3V。

六、工作原理與應用信息

1. 一般操作原理

LTC3245采用基于開關電容的DC/DC轉換技術，結合內部開關網絡和分數轉換比，能在廣泛的輸入電壓和輸出負載條件下實現高效率和穩定的輸出調節。

2. 輸出調節與模式選擇

通過控制環路調節電荷泵的強度，以匹配輸出所需的電流。內部比較器根據輸入電壓、輸出電壓和負載條件，選擇最優的轉換模式，同時具有可調偏移和遲滯功能，確保在各種條件下都能實現高效穩定的調節。

3. 低噪聲與Burst Mode操作

• Burst Mode操作：當BURST引腳為低電平時，芯片工作在Burst Mode。在輕負載時，芯片會周期性地停止電荷轉移，進入低電流睡眠狀態，以提高效率。
• 低噪聲操作：當BURST引腳為高電平時，芯片工作在低噪聲模式。此時，每個周期的最小電荷量和睡眠遲滯減小，輸出紋波降低。

  4. 短路與熱保護

  芯片內置短路電流限制和過溫保護功能。當輸出短路時，會自動限制輸出電流；當芯片溫度超過閾值時，會進入熱關斷狀態，待溫度下降后再恢復工作。

  5. 軟啟動操作

  為了限制啟動時的浪涌電流，芯片具有軟啟動功能。在啟動過程中，輸出電荷存儲電容的電流會線性增加，避免對電源和負載造成沖擊。

  6. 輸出電壓編程

  通過外部電阻分壓器可以實現輸出電壓的調節。根據公式(frac{R{A}}{R{B}}=frac{V_{OUT }}{1.2 V}-1)，選擇合適的電阻值，即可將輸出電壓調節在2.5V至5V之間。

  7. 不同模式下的電荷泵操作

• 2:1降壓模式：當輸入電壓大于輸出電壓的兩倍時，芯片工作在2:1降壓模式。電荷轉移分兩個階段，輸入電流約為輸出電流的一半。
• 1:1降壓模式：當輸入電壓介于輸出電壓的兩倍和輸出電壓之間時，芯片工作在1:1降壓模式，類似于線性調節器，輸入電流約等于輸出電流。
• 1:2升壓模式：當輸入電壓小于輸出電壓時，芯片工作在1:2升壓模式。由于驅動能力有限，該模式下芯片始終工作在Burst Mode，輸入電流約為輸出電流的兩倍。

  8. PGOOD輸出操作

  PGOOD引腳為開漏輸出，當輸出電壓達到最終工作電壓的約95%時，引腳變為高阻態；當輸出電壓低于約91%時，引腳變為低阻態。可通過上拉電阻將其連接到輸出電壓或其他低電壓電源，以指示電源是否正常。

  9. 輸出紋波與電容選擇

  輸出電容的類型和值對輸出紋波、控制環路穩定性和電荷泵強度有重要影響。建議使用低ESR（等效串聯電阻小于0.1Ω）的陶瓷電容作為輸出電容，以降低輸出紋波和提高穩定性。

  10. 輸入電容選擇

  輸入電容的選擇應考慮輸入電流的變化和源阻抗。為了減少輸入噪聲和紋波，建議使用低ESR的陶瓷電容進行旁路，必要時可并聯電解或鉭電容以增加總電容值。

  11. 飛跨電容選擇

  飛跨電容應使用陶瓷電容，避免使用極化電容（如鉭電容或鋁電容）。為了實現額定輸出電流，飛跨電容在工作溫度和偏置電壓下的電容值應至少為0.4μF。

  12. 陶瓷電容選擇指南

  不同材料的陶瓷電容在溫度和電壓變化時，電容值的變化率不同。例如，X5R或X7R材料的電容在 - 40°C至85°C范圍內能保持大部分電容值，而Z5U或Y5V材料的電容則會有較大的電容值損失。在選擇電容時，應參考電容制造商的數據手冊，確保在工作溫度和偏置電壓下滿足最小電容值要求。

七、布局與熱管理

1. 布局考慮

由于芯片的高開關頻率和瞬態電流，PCB布局對性能至關重要。應使用真正的接地平面，并盡量縮短與所有電容的連接，以優化性能、降低噪聲并確保輸出調節的穩定性。同時，在使用外部電阻分壓器時，應盡量減少ADJ引腳與(C^{+})或(C^{-})之間的雜散電容，必要時進行屏蔽。

2. 熱管理

芯片的功耗會導致結溫升高，為了降低結溫，建議將芯片的裸焊盤（Pin 13）通過多個過孔連接到大面積的接地平面，以提高散熱性能。在實際應用中，應根據芯片的功耗和環境溫度，合理評估結溫是否會超過規定的最大值，避免芯片因過熱而損壞。

八、相關產品對比

ADI還提供了一系列相關的電源管理產品，如LTC1751 - 3.3/ LTC1751 - 5、LTC1983 - 3/ LTC1983 - 5等。這些產品在輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流、靜態電流等方面各有特點。在選擇產品時，應根據具體的應用需求，綜合考慮這些因素，選擇最適合的產品。

ADI的LTC3245是一款功能強大、性能優異的降壓 - 升壓電荷泵芯片。它的寬輸入電壓范圍、低噪聲、高效率、多模式操作等特性，使其在汽車、工業等多個領域都有廣泛的應用前景。在實際設計中，我們需要深入了解其特性和工作原理，合理選擇外圍元件和進行PCB布局，以充分發揮其性能優勢，設計出穩定可靠的電源系統。你在使用類似芯片時，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。