LT3587：高性能多輸出電源芯片的設計與應用

在電子設備的電源設計中，如何高效、穩定地提供多組不同電壓輸出是一個關鍵問題。LT3587作為一款由凌力爾特公司（Linear Technology）推出的電源芯片，為這一問題提供了出色的解決方案。本文將詳細介紹LT3587的特性、工作原理、應用信息以及典型應用電路，幫助電子工程師更好地理解和使用這款芯片。

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一、LT3587概述

1.1 特性

• 多輸出應用適配：非常適合CCD、LCD、LED背光和OLED等應用，能輕松從鋰離子電池產生15V（50mA）、 - 8V（100mA）和20V（20mA）的電壓。
• 寬輸入輸出范圍：輸入電壓范圍為2.5V至6V，升壓輸出最高可達32V，反相輸出最高可達 - 32V。
• 輸出斷開功能：升壓通道具備輸出斷開功能，增強了電路的安全性和靈活性。
• 可編程功能：Boost3允許進行電壓編程和/或電流編程，可實現“一線電流源”。
• 保護與封裝：具有過載故障保護，通過故障I/O引腳指示；采用小型20引腳3mm×3mm QFN封裝，適合空間受限的應用。

1.2 應用領域

廣泛應用于數字相機、掃描儀、顯示系統、PDA、手機、手持電腦等設備，以及CCD成像器偏置和一般高壓電源偏置等場景。

二、工作原理

2.1 控制方案

LT3587的三個通道均采用恒定頻率、電流模式控制方案，以實現輸出電壓和/或電流的調節。通過參考其框圖，能更好地理解其工作過程。

2.2 各通道工作情況

• Boost1通道：當EN/SS1引腳電壓高于200mV時，帶隙基準、啟動偏置和振蕩器開啟。在每個振蕩器周期開始時，SR鎖存器X1置位，功率開關Q1導通。開關電流的比例電壓與穩定斜坡相加后，輸入到PWM比較器A3的正端。當該電壓超過A3負端的電平（由誤差放大器A1設置）時，SR鎖存器X1復位，Q1關斷。誤差放大器根據參考電壓（1.22V）與反饋電壓的差值，調整開關電流峰值，以保持輸出電壓穩定。
• 反相器通道：同樣通過EN/SS1引腳使能，基本工作原理與正通道相似。SR鎖存器X2在每個振蕩器周期開始時置位，功率開關Q2與Q1同時導通，Q2根據自身反饋回路（由誤差放大器A2和PWM比較器A4組成）關斷，該通道的參考電壓為地。
• Boost3通道：當EN/SS3引腳電壓高于200mV時，帶隙基準、啟動偏置和振蕩器開啟。SR鎖存器X3在每個振蕩器周期開始時置位，功率開關Q3導通。Q3根據自身反饋回路（由誤差放大器A5和PWM比較器A6組成）關斷，A6負端的電平由誤差放大器A5設置，是參考電壓（0.8V）與(V{FB 3})和(I{FB3})兩個反饋電壓中的最大值的差值的放大版本。此外，還有一個單獨的比較器設置Q3的最大電流限制。

2.3 輸出斷開功能

Boost1和Boost3通道在各自的CAP引腳和(V_{OUT})引腳之間設有輸出斷開功能，通過PMOS晶體管實現。當滿足一定條件時，可斷開負載與輸入的連接，防止直流路徑的形成。

三、應用信息

3.1 元件選擇

• 電感選擇：Boost1通道推薦使用15μH電感，Boost3通道推薦使用10μH電感，反相器通道可使用15μH或22μH電感。為提高效率，電感應在1MHz下具有低磁芯損耗和低DCR（銅線電阻），其DCR應約為對應通道開關導通電阻的一半。同時，電感的電流額定值應能承受調節過程中的峰值電流，且在無軟啟動時，能承受臨時的高啟動電流。
• 電容選擇：陶瓷電容因其體積小，適合LT3587應用。推薦使用X5R和X7R類型的陶瓷電容，它們在更寬的電壓和溫度范圍內能保持電容值穩定。大多數應用中，輸入電容選用1μF即可，輸出電容的取值根據通道不同而有所差異：Boost1通道為10μF，反相器通道為22μF，Boost3通道為2.2μF，反相器還需要一個2.2μF的飛跨電容，其電壓額定值至少為(V{IN }+|V{NEG }|)。
• 肖特基二極管選擇：選擇外部二極管（(D{S 1})、(D{S 2})和(D_{S3})）時，除了要具有足夠高的反向擊穿電壓以承受輸出電壓外，還需考慮正向電壓降和二極管電容。推薦的肖特基二極管如RSX051VA - 30、PMEG401OCEJ等。

3.2 浪涌電流

當電源電壓突然施加到(V{IN})引腳時，(V{IN})引腳與CAP引腳之間的電壓差會產生浪涌電流。不同通道的浪涌電流路徑不同，選擇合適的電感和電容值可確保浪涌電流峰值低于肖特基二極管的額定瞬時最大電流。浪涌電流峰值可通過公式(P=frac{left(V_{V I N}-0.6right) cdot e^{frac{-1}{varphi} tan ^{-1}(varphi)}}{sqrt{frac{L}{C}}})估算。

3.3 輸出電壓和電流設置

通過連接反饋電阻到相應的反饋引腳，可設置各通道的輸出電壓和Boost3的輸出電流。具體公式如下：

• (R{F B 1}=left(left(V{VOUT 1} / 1.22 Vright)-1right) cdot 88.5 k)
• (R{FB 2}=left|V{NEG}right| / 8 mu A)
• (R{V F B 3}=left(left(V{VOUT 3} / 0.8 Vright)-1right) cdot 56.3 k)
• (R{IFB 3}=200 cdotleft(0.8 V / I{VOUT3 }right))

為保證精度，建議使用高精度電阻。

3.4 軟啟動和啟動順序

LT3587具有兩個軟啟動控制引腳EN/SS1和EN/SS3，分別控制Boost1和反相器、Boost3的軟啟動。通過連接電容到相應引腳，可實現軟啟動斜坡。內部測序電路會抑制反相器通道，直到Boost1的反饋電壓達到約1.1V（最終電壓的87%），確保Boost1輸出電壓接近調節值后，反相器才開始產生負電壓。

3.5 故障檢測和指示

LT3587具備故障檢測功能，通過故障指示引腳（FLT）指示所有輸出的故障情況。當至少一個通道完成軟啟動過程并以全電感電流自由運行時，故障檢測電路啟用。若任何反饋電壓（(V{FB 1})、(V{FB 2})或(Max(V{VFB 3}, V{IFB 3}))）低于其調節值超過16ms，FLT引腳將拉低。故障條件會被鎖存，需通過關閉并重新啟動芯片來復位。

3.6 調光控制

當Boost3通道配置為升壓電流調節器作為LED驅動器時，可采用兩種調光控制方法：

• 使用DAC和電阻：通過DAC輸出電壓調整LED電流，公式為(V{OUT3 }=left(0.8 V-V{D A C-OUT }right) cdot 200 / R_{IFB 3})。
• PWM調光：通過PWM信號控制LED的亮滅，可在不改變LED顏色的情況下實現調光，且調光范圍更廣。

四、典型應用電路

4.1 鋰離子供電的CCD成像器和白色背光LED電源

該電路使用LT3587為CCD成像器和五個白色背光LED提供電源，能滿足不同電壓和電流的需求。

4.2 CCD成像器和OLED顯示屏驅動

為CCD成像器和OLED顯示屏提供穩定的電源，同時具備軟啟動功能，可減少啟動時的電流沖擊。

4.3 通用高壓電源發生器

可產生多組不同電壓的輸出，如15V、 - 16V、25V等，適用于多種需要高壓電源的應用場景。

五、總結

LT3587是一款功能強大、性能優越的電源芯片，具有多輸出、寬輸入輸出范圍、可編程、保護功能完善等特點。通過合理選擇元件、設置輸出電壓和電流、實現軟啟動和故障檢測等功能，能為各種電子設備提供穩定、高效的電源解決方案。電子工程師在設計電源電路時，可根據具體應用需求，充分發揮LT3587的優勢，提高產品的性能和可靠性。

你在使用LT3587進行設計時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。