深入剖析LTC3872-1：無RSENSE電流模式升壓DC/DC控制器

引言

在電子設計領域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統的穩定性和效率。LTC3872-1作為一款無RSENSE電流模式升壓DC/DC控制器，以其獨特的設計和卓越的性能，在眾多電源管理方案中脫穎而出。本文將深入剖析LTC3872-1的特點、工作原理、應用設計等方面，為電子工程師提供全面的參考。

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一、LTC3872-1的特點

1. 無需電流檢測電阻

傳統的電流檢測需要使用Sense電阻，這不僅增加了成本和功耗，還占用了一定的電路板空間。LTC3872-1采用No RSENSE?架構，消除了對Sense電阻的需求，提高了效率，節省了電路板空間。

2. 寬輸出電壓范圍

輸出電壓最高可達60V，能夠滿足多種應用場景的需求，如電信電源、汽車系統、工業控制等。

3. 恒定頻率工作

以550kHz的恒定頻率運行，有助于減少電磁干擾（EMI），并允許使用小型電感，降低了元件成本和電路板尺寸。

4. 軟啟動功能

具備內部軟啟動功能，同時支持可選的外部軟啟動，可有效限制啟動時的浪涌電流，保護電路元件。

5. 可調電流限制和輕載脈沖跳過

可根據負載情況調整電流限制，在輕載時采用脈沖跳過模式，提高輕載效率。

6. 高精度電壓參考

±1.5%的電壓參考精度，確保了輸出電壓的穩定性和準確性。

7. 多種封裝形式

提供低剖面（1mm）SOT - 23和2mm × 3mm DFN封裝，方便不同應用場景的選擇。

二、工作原理

1. 主控制回路

LTC3872-1是一款用于DC/DC升壓、SEPIC和反激式轉換器應用的無RSENSE恒定頻率電流模式控制器。其電流控制回路可以通過檢測功率MOSFET開關兩端的電壓降或離散Sense電阻兩端的電壓降來閉合。這種無RSENSE檢測技術提高了效率，增加了功率密度，并降低了整體解決方案的成本。

在正常工作時，當振蕩器設置RS鎖存器時，功率MOSFET導通；當電流比較器復位鎖存器時，功率MOSFET關斷。誤差放大器將分壓后的輸出電壓與內部1.2V參考電壓進行比較，并在ITH引腳輸出誤差信號。ITH引腳的電壓設置電流比較器的輸入閾值，當負載電流增加時，FB電壓相對于參考電壓下降，導致ITH引腳電壓上升，使電流比較器在更高的峰值電感電流值時觸發，從而保持輸出電壓的穩定。

2. 輕載操作

在非常輕的負載電流條件下，ITH引腳電壓將非常接近零電流水平（0.85V）。隨著負載電流進一步減小，電流比較器輸入處的內部偏移將確保電流比較器保持觸發狀態（即使在零負載電流時），調節器將開始跳過周期，以保持輸出電壓的穩定。這種行為使調節器能夠在輕負載下保持恒定頻率，從而降低輸出紋波、可聽噪聲和射頻干擾，同時提供高光負載效率。

三、應用設計

1. 輸出電壓編程

輸出電壓通過電阻分壓器進行設置，公式為：$V_{0}=1.2V cdot (1+frac{R2}{R1})$。外部電阻分壓器連接到輸出端，實現遠程電壓檢測。

2. 應用電路

基本的LTC3872-1應用電路在數據手冊的首頁有展示。外部元件的選擇取決于負載特性和輸入電源。

3. 占空比考慮

對于連續導通模式（CCM）下工作的升壓轉換器，主開關的占空比為：$D=(frac{V{0}+V{D}-V{IN}}{V{0}+V{D}})$，其中$V{D}$是升壓二極管的正向電壓。LTC3872-1的最小導通時間約為250ns，限制了最小占空比，最大占空比約為90%。

4. 峰值和平均輸入電流

控制電路測量輸入電流，輸出電流需要反映到輸入側，以正確確定功率MOSFET的尺寸。最大平均輸入電流為：$I{IN(MAX)}=frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}$，峰值輸入電流為：$I{IN(PEAK)}=(1+frac{chi}{2}) cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}$，其中$chi$表示電感中峰 - 峰紋波電流相對于其最大值的百分比。

5. 電感選擇

根據工作輸入電壓范圍、工作頻率和電感紋波電流，可使用公式$L=frac{V{IN(MIN)}}{Delta I{L} cdot f} cdot D{MAX}$確定電感值，其中$Delta I{L}=chi cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}$。同時，電感的最小飽和電流應滿足$I{L(SAT)} geq (1+frac{chi}{2}) cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D_{MAX}}$。

6. 功率MOSFET選擇

功率MOSFET在LTC3872-1中既是主開關元件，其$R{DS(ON)}$又是控制回路的電流傳感元件。選擇時需要考慮漏 - 源擊穿電壓（$BV{DSS}$）、閾值電壓（$V{GS(TH)}$）、導通電阻（$R{DS(ON)}$）、柵 - 源和柵 - 漏電荷（$Q{GS}$和$Q{GD}$）、最大漏極電流（$I{D(MAX)}$）和MOSFET的熱阻（$R{TH(JC)}$和$R_{TH(JA)}$）等參數。

7. 輸出二極管選擇

為了最大化效率，應選擇具有低正向壓降和低反向泄漏的快速開關二極管。二極管的峰值反向電壓應等于調節器的輸出電壓，平均正向電流等于輸出電流，峰值電流等于峰值電感電流。

8. 輸出電容選擇

選擇輸出電容時，需要考慮等效串聯電阻（ESR）、等效串聯電感（ESL）和體電容對輸出電壓紋波的影響。可根據最大可接受的紋波電壓，通過公式$ESR{COUT} leq frac{0.01 cdot V{0}}{I{IN(PEAK)}}$和$C{OUT} geq frac{I{O(MAX)}}{0.01 cdot V{0} cdot f}$確定ESR和體電容的值。

9. 輸入電容選擇

升壓轉換器的輸入電容相對不那么關鍵，其大小通常在10μF到100μF之間，建議使用低ESR電容。輸入電容的RMS紋波電流為：$RMS(C{IN})=0.3 cdot frac{V{IN(MIN)}}{L cdot f} cdot D_{MAX}$。

四、效率考慮

1. 效率計算

開關調節器的效率等于輸出功率除以輸入功率（×100%），可用公式$% Efficiency =100%-(L1 + L2 + L3 +...)$表示，其中L1、L2等是各個損耗組件占輸入功率的百分比。

2. 主要損耗源

• 輸入電源電流損耗：$V{IN}$引腳的電流包括直流電源電流$I{0}$和MOSFET驅動及控制電流。
• 功率MOSFET開關和導通損耗：使用功率MOSFET兩端的電壓降來閉合電流反饋回路，可提高效率。
• 電感損耗：等于直流輸入電流的平方乘以繞組電阻。
• 升壓二極管損耗：功率耗散為$P{DIODE}=I{O(MAX)} cdot V_{D}$。
• 其他損耗：包括$C{IN}$和$C{OUT}$的ESR耗散和電感鐵芯損耗，通常占總額外損耗的不到2%。

五、設計示例

以輸入電壓3.3V，輸出5V，最大負載電流2A的升壓轉換器為例：

1. 計算占空比：$D=(frac{V{0}+V{D}-V{IN}}{V{0}+V_{D}})=frac{5 + 0.4 - 3.3}{5 + 0.4}=38.9%$
2. 選擇電感：假設電感紋波電流為最大負載電流的40%，則峰值輸入電流為$I{IN(PEAK)}=(1+frac{chi}{2}) cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}=1.2 cdot frac{2}{1 - 0.39}=3.9A$，電感紋波電流為$Delta I{L}=chi cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}=0.4 cdot frac{2}{1 - 0.39}=1.3A$，電感值為$L=frac{V{IN(MIN)}}{Delta I{L} cdot f} cdot D_{MAX}=frac{3.3V}{1.3A cdot 550kHz} cdot 0.39=1.8mu H$，選擇Sumida的2.2μH電感（型號CEP125 - H 1ROMH）。
3. 選擇功率MOSFET：假設MOSFET結溫為125°C，室溫下MOSFET的$R{DS(ON)}$應小于$R{DS(ON)} leq V{SENSE(MAX)} cdot frac{1-D{MAX}}{(1+frac{chi}{2}) cdot I{O(MAX)} cdot rho{T}}approx 30mOmega$，選擇Si3460 DDV MOSFET。
4. 選擇二極管：選擇On Semiconductor的25A、15V二極管（型號MBRB2515L）。
5. 選擇輸出電容：通常由低ESR陶瓷電容組成。
6. 選擇輸入電容：選擇兩個22μF的Taiyo Yuden陶瓷電容（型號JMK325BJ226MM）。

六、PCB布局檢查清單

在進行印刷電路板布局時，應遵循以下檢查清單：

1. 肖特基二極管應緊密連接在輸出電容和外部MOSFET的漏極之間。
2. 輸入去耦電容（0.1μF）應緊密連接在$V_{IN}$和GND之間。
3. 從SW到開關點的走線應保持短。
4. 開關節點NGATE應遠離敏感小信號節點。
5. $V{FB}$引腳應直接連接到反饋電阻，電阻分壓器R1和R2必須連接在$C{out}$的正極和信號地之間。

七、典型應用

文檔中給出了多個典型應用電路，包括3.3V輸入、12V輸出；5V輸入、12V輸出；5V輸入、24V輸出；5V輸入、48V輸出等不同規格的升壓轉換器，為工程師提供了實際設計的參考。

總結

LTC3872-1作為一款高性能的無RSENSE電流模式升壓DC/DC控制器，具有諸多優點，適用于多種電源管理應用。在設計過程中，電子工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇外部元件，優化PCB布局，以確保系統的穩定性和效率。希望本文能夠為工程師們在使用LTC3872-1進行設計時提供有益的幫助。大家在實際應用中是否遇到過類似芯片的設計難題呢？歡迎在評論區分享交流。