LTC3118：高效雙輸入同步降壓 - 升壓DC/DC轉換器的設計秘籍

在電子工程師的日常設計工作中，電源管理模塊始終是核心環節。今天我要給大家詳細介紹一款在電源轉換領域表現卓越的產品——LTC3118，一款雙輸入、寬電壓范圍的同步降壓 - 升壓DC/DC轉換器。

文件下載：LTC3118.pdf

產品關鍵特性速覽

• 雙輸入與寬電壓范圍：支持兩個獨立輸入電源 (V{IN1}) 和 (V{IN2})，輸入電壓范圍為 2.2V 至 18V，輸出電壓范圍為 2V 至 18V，無論輸入電壓高于、低于還是等于輸出電壓，都能穩定工作，適應性極強。
• 高效轉換能力：能夠在 (V_{IN} > 6V) 時產生 5V/2A 的輸出，最高效率可達 94%，在降低功耗方面表現出色。
• 低噪聲與靈活控制：采用 1.2MHz 低噪聲固定頻率工作模式，配合電流模式控制，確保輸出穩定。同時支持 PWM 或 Burst Mode? 操作，可通過引腳進行靈活選擇。
• 完善的系統特性：具備精確的獨立 RUN 引腳閾值，可實現對電源的精準控制。還提供 (V{IN}) 和 (V{OUT}) 電源良好指示器，方便工程師實時監測電源狀態。在睡眠模式下靜態電流低至 50μA，關機模式下僅為 2μA，有效延長設備續航時間。

工作模式深度剖析

輸入選擇邏輯

LTC3118 的輸入選擇邏輯通過 SEL 引腳實現，支持理想二極管模式和 (V{IN1}) 優先級模式。當 SEL 引腳為高電平時，工作在理想二極管模式，轉換器將自動選擇電壓較高且滿足條件的輸入電源；當 SEL 引腳為低電平時，工作在 (V{IN1}) 優先級模式，優先使用 (V{IN1}) 供電，若 (V{IN1}) 不滿足條件，則切換至 (V_{IN2})。這種靈活的輸入選擇方式，為工程師在不同電源場景下提供了更多的設計選擇。

PWM 模式操作

在 PWM 模式下，LTC3118 以固定的 1.2MHz 頻率工作，采用電流模式控制環路。這種模式能夠有效減少輸出電壓紋波，降低開關頻率的噪聲頻譜。其獨特的開關算法，確保在不同工作模式之間切換時無縫銜接，提高了轉換效率和環路穩定性。當輸入電壓高于輸出電壓時，轉換器工作在降壓模式；當輸入電壓低于輸出電壓時，工作在升壓模式，通過調節開關的占空比來維持輸出電壓的穩定。

Burst Mode 操作

當 MODE 引腳置低時，LTC3118 進入自動 Burst Mode 操作。在輕負載情況下，轉換器會自動進入待機或睡眠狀態，停止 PWM 開關操作，降低靜態電流，提高整體功率轉換效率。當輸出電壓下降到一定程度時，轉換器會自動喚醒，恢復正常的 PWM 開關操作，維持輸出電壓穩定。這種智能的工作模式切換，特別適用于對功耗要求較高的應用場景。

外部元件選型要點

(V_{CC}) 電容選擇

(V{CC}) 由內部低壓差線性穩壓器生成，建議使用 4.7μF 的低 ESR 電容進行旁路，電容應盡量靠近 (V{CC}) 引腳，并通過最短的走線連接到地。如果走線過長，可在靠近封裝引腳處增加一個 0.1μF 的旁路電容，確保 (V_{CC}) 的穩定輸出。

BST、電荷泵和 CM 電容選擇

高側開關需要小陶瓷電容提供足夠的電荷，推薦使用 0.1μF、耐壓大于 5V 的 BST 至 SW 電容，10nF、耐壓大于 20V 的 CN 至 CP 電容，以及 47nF、耐壓大于 20V 的 CM 至 GND 電容。這些電容的合理選擇，能夠保證高側開關的正常工作，提高轉換器的性能。

電感選擇

電感的選擇對 LTC3118 的性能影響較大。一般來說，3.3μH 的電感適用于 (V{OUT}) 高達 5V 的應用，6.8μH 適用于 (V{OUT}=12V) 的應用，10μH 適用于 (V_{OUT}=18V) 的應用。電感的飽和電流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，同時要選擇低直流串聯電阻的電感，以提高轉換效率。

輸出電容選擇

為了降低輸出電壓紋波，應在降壓 - 升壓轉換器的輸出端連接一個低等效串聯電阻（ESR）的輸出電容。多層陶瓷電容是一個不錯的選擇，其 ESR 低且體積小。一般來說，47μF 至 100μF 的輸出電容能夠滿足大多數 LTC3118 應用的需求。

輸入電容選擇

為了最小化輸入電壓紋波，確保 IC 的正常運行，應在 (V{IN1}) 或 (V{IN2}) 引腳附近放置一個至少 10μF 的低 ESR 旁路電容，并盡量縮短電容與引腳以及接地平面之間的走線長度。如果電源通過長引線或高 ESR 電源供電，可能需要增加一個較大值的輸入電容，如 47μF 至 100μF 的電解電容與 1μF 的陶瓷電容并聯。

補償設計實戰案例

LTC3118 采用平均電流架構來調節輸出電壓，需要對內部平均電流環路和外部電壓環路進行頻率補償。內部平均電流環路的補償已在芯片內部固定，而外部電壓環路需要外部補償組件來定制整體環路特性。

以一個典型應用為例，假設輸入電壓 (V{IN}=3V) 至 15V，輸出電壓 (V{OUT}=5V)，最大輸出電流在升壓模式下為 1A，降壓模式下為 1A，輸出電容 (C_{OUT}=100μF)（考慮直流電壓偏置效應，計算時使用 66μF），電感 (L = 3.3μH)。

首先，計算最壞情況下的右半平面零點（RHPZ）頻率： [RHPZ(f)=frac{V{IN}^{2} cdot R{LOAD}}{V_{OUT }^{2} cdot 2 pi cdot L}=frac{3V^{2} cdot 5Omega}{5V^{2} cdot 2 pi cdot 3.3 mu H}=87kHz]

為了避免在升壓模式下因 RHPZ 導致過多的相位損失，將轉換器帶寬或交叉頻率設置為至少比 RHPZ 頻率低 4 至 5 倍，這里選擇 20kHz。

通過分析功率級增益曲線，可知未補償的功率級交叉頻率高于目標值，且直流增益較低。因此，在電壓放大器中添加一個零 - 極 - 極網絡來增加直流增益，降低交叉頻率，并減少高頻下的整體增益。

經過計算和驗證，選擇 (R{Z}=40kΩ)，(C{P1}=1.8nF)，(C_{P2}=22pF) 作為補償組件，實現了較好的環路性能，交叉頻率在降壓模式下降低到 20kHz，升壓模式下降低到 10kHz，相位裕度約為 70 度，同時在直流時提供了較高的增益（>50dB），并在交叉頻率以上衰減增益以避免 RHPZ 問題。

典型應用實例分享

系統電源（優先級）或 3 節鋰離子電池至 5V (V_{OUT}) 調節器

該應用中，LTC3118 優先使用系統電源供電，當系統電源不滿足條件時，切換至 3 節鋰離子電池供電。通過自動 Burst Mode 操作，在輕負載情況下降低功耗，提高效率。

12V 壁式適配器（可用時）或 2 節鋰離子電池至 12V (V_{OUT}) 調節器

在這個應用中，當 12V 壁式適配器可用時，LTC3118 使用其供電；當壁式適配器斷開時，自動切換至 2 節鋰離子電池供電。同樣采用自動 Burst Mode 操作，確保在不同負載下都能保持高效運行。

雙電池系統至 3.3V (V_{OUT})

該應用中，LTC3118 優先使用鉛酸電池供電，當鉛酸電池電量不足時，切換至其他電池供電。通過合理的元件選擇和參數設置，能夠為負載提供穩定的 3.3V 輸出。

總結與展望

LTC3118 憑借其雙輸入、寬電壓范圍、高效轉換、低噪聲和靈活控制等特性，成為眾多電源管理應用的理想選擇。在實際設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇外部元件，進行精確的補償設計，以充分發揮 LTC3118 的性能優勢。同時，我們也期待未來在電源管理領域能夠出現更多像 LTC3118 這樣優秀的產品，為電子設備的發展提供更強大的支持。

大家在使用 LTC3118 進行設計時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流，讓我們一起探討電源管理設計的更多可能性。