LTC3104：高效同步降壓轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高效能、低功耗的轉(zhuǎn)換器一直是工程師們追求的目標(biāo)。LTC3104作為一款高性能的同步降壓轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為了電路設(shè)計(jì)中的理想選擇。

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1. 產(chǎn)品概述

LTC3104是一款采用電流模式架構(gòu)的高效單片同步降壓轉(zhuǎn)換器，能夠提供高達(dá)300mA的輸出電流。它集成了一個(gè)可調(diào)的10mA LDO，可用于為對(duì)噪聲敏感的功能供電。該轉(zhuǎn)換器具備自動(dòng)Burst Mode和強(qiáng)制連續(xù)模式兩種工作模式，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求優(yōu)化輸出電壓紋波、噪聲和輕載效率。在Burst Mode模式下，無(wú)負(fù)載時(shí)典型的直流輸入電源電流可降至2.6μA，極大地提高了輕載效率；而強(qiáng)制連續(xù)模式則提供了非常低噪聲的1.2MHz恒定頻率運(yùn)行。

2. 關(guān)鍵特性

2.1 超低靜態(tài)電流

LTC3104的靜態(tài)電流低至2.6μA，這在電池供電的應(yīng)用中尤為重要，能夠顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命。例如，在一些便攜式設(shè)備中，低靜態(tài)電流可以減少電池的自放電，從而提高設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。

2.2 高同步整流效率

同步整流效率高達(dá)95%，這意味著在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能夠?qū)⒏嗟妮斎肽芰哭D(zhuǎn)化為輸出能量，減少能量損耗，提高系統(tǒng)的整體效率。

2.3 寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為2.5V至15V，輸出電壓范圍為0.6V至13.8V，能夠適應(yīng)多種不同的電源和負(fù)載需求。這使得LTC3104在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮出色的性能。

2.4 多種工作模式

用戶可以選擇自動(dòng)Burst Mode或強(qiáng)制連續(xù)模式，以滿足不同的應(yīng)用需求。自動(dòng)Burst Mode適用于輕載情況，能夠在保證效率的同時(shí)降低功耗；強(qiáng)制連續(xù)模式則適用于對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用，能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓。

2.5 精確的RUN引腳閾值

RUN引腳的閾值精確且可編程，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置啟動(dòng)和關(guān)閉的條件，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.6 其他特性

還具備1.2MHz固定頻率PWM、內(nèi)部補(bǔ)償、電源良好狀態(tài)輸出、10mA可調(diào)LDO等特性，并且提供熱增強(qiáng)型3mm × 4mm × 0.75mm的14引腳DFN和16引腳MSOP封裝，方便用戶進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布局。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 遠(yuǎn)程傳感器網(wǎng)絡(luò)

在遠(yuǎn)程傳感器網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備通常需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且對(duì)功耗要求較高。LTC3104的超低靜態(tài)電流和高轉(zhuǎn)換效率能夠滿足這些需求，確保傳感器節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定、高效地工作。

3.2 分布式電源系統(tǒng)

分布式電源系統(tǒng)需要多個(gè)電源模塊協(xié)同工作，LTC3104的寬輸入輸出電壓范圍和多種工作模式能夠適應(yīng)不同的電源配置，為分布式電源系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

3.3 多電池或超級(jí)電容調(diào)節(jié)器

在多電池或超級(jí)電容供電的系統(tǒng)中，LTC3104能夠有效地管理電源，提高電池的利用率和壽命。

3.4 能量收集器

能量收集器通常需要將微弱的能量轉(zhuǎn)換為可用的電能，LTC3104的高效轉(zhuǎn)換能力能夠幫助能量收集器更有效地收集和利用能量。

3.5 便攜式儀器和低功耗無(wú)線系統(tǒng)

便攜式儀器和低功耗無(wú)線系統(tǒng)對(duì)體積和功耗要求較高，LTC3104的小封裝和低功耗特性能夠滿足這些需求，為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源支持。

4. 電氣特性

4.1 降壓轉(zhuǎn)換器

輸入電壓范圍在啟動(dòng)后為2.5V至15V，輸入欠壓鎖定閾值為2.1V至2.6V，反饋電壓為0.6V，振蕩器頻率為1.2MHz。在不同的工作模式下，靜態(tài)電流有所不同，例如在VIN - Sleep模式下，靜態(tài)電流可低至1.8μA。

4.2 LDO調(diào)節(jié)器

LDO輸入電壓范圍為2.5V至15V，輸出電壓范圍為0.6V至14.5V，反饋電壓為0.6V。LDO能夠保證10mA的負(fù)載，典型壓降為150mV，并且具備過(guò)流保護(hù)和欠壓保護(hù)功能。

5. 典型性能特性

5.1 效率與輸出電流關(guān)系

在不同的輸入電壓和輸出電流條件下，LTC3104的效率表現(xiàn)良好。例如，在輸入電壓為3V至15V，輸出電流為0.0001A至1A的范圍內(nèi)，效率最高可達(dá)95%。

5.2 反饋電壓與溫度關(guān)系

反饋電壓隨溫度的變化較小，在-40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)，反饋電壓的變化率在±2%以內(nèi)，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。

5.3 振蕩器頻率與溫度關(guān)系

振蕩器頻率在0°C至85°C的溫度范圍內(nèi)，變化率在±10%以內(nèi)，確保了轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行。

6. 引腳功能

6.1 MODE引腳

用于選擇工作模式，高電平選擇自動(dòng)Burst Mode，低電平選擇強(qiáng)制連續(xù)模式。

6.2 VIN引腳

主電源引腳，需要使用10μF或更大的陶瓷電容進(jìn)行去耦。

6.3 SW引腳

開(kāi)關(guān)引腳，連接到電感，與內(nèi)部主功率MOSFET和同步功率MOSFET開(kāi)關(guān)的漏極相連。

6.4 BST引腳

自舉浮動(dòng)電源，用于高端柵極驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一個(gè)22nF的電容連接到SW引腳。

6.5 GND引腳

電源地。

6.6 RUNLDO引腳

LDO使能引腳，可連接到VIN以啟用LDO。

6.7 PGOOD引腳

開(kāi)漏輸出，當(dāng)反饋電壓低于調(diào)節(jié)點(diǎn)10%、發(fā)生熱關(guān)斷事件或轉(zhuǎn)換器禁用時(shí)，該引腳會(huì)拉低。

6.8 NC引腳

無(wú)連接引腳，必須連接到GND。

6.9 VCC引腳

內(nèi)部調(diào)節(jié)的電源軌，需要使用1μF或更大的陶瓷電容進(jìn)行去耦。

6.10 RUN引腳

運(yùn)行引腳比較器輸入，電壓大于0.85V時(shí)啟用IC，可連接到VIN或外部電阻分壓器以提供精確的欠壓鎖定閾值。

6.11 FB引腳

誤差放大器的反饋輸入，通過(guò)連接到該引腳的電阻分壓器設(shè)置降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

6.12 FBLDO引腳

LDO誤差放大器的反饋輸入，通過(guò)連接到該引腳的電阻分壓器設(shè)置LDO的輸出電壓。

6.13 VLDO引腳

LDO調(diào)節(jié)器輸出，需要使用4.7μF或更大的陶瓷電容進(jìn)行去耦。

6.14 VINLDO引腳

LDO電源引腳，最大電壓為15V，需要使用10μF或更大的陶瓷電容進(jìn)行去耦。

7. 工作原理

7.1 主控制環(huán)路

在正常工作時(shí)，內(nèi)部頂部功率MOSFET在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)PWM電流比較器觸發(fā)時(shí)關(guān)斷。比較器觸發(fā)時(shí)的電感峰值電流由誤差放大器的輸出電壓控制。FB引腳允許內(nèi)部補(bǔ)償?shù)恼`差放大器從外部電阻分壓器接收輸出反饋電壓。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，輸出電壓開(kāi)始下降，導(dǎo)致反饋電壓相對(duì)于0.6V參考電壓略有下降，進(jìn)而使控制電壓增加，直到平均電感電流與新的負(fù)載電流匹配。當(dāng)頂部MOSFET關(guān)斷時(shí)，底部MOSFET導(dǎo)通，直到電感電流開(kāi)始反向（由電流反轉(zhuǎn)比較器IZERO指示）或下一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始。

7.2 強(qiáng)制連續(xù)模式

將MODE引腳接地可啟用強(qiáng)制連續(xù)模式，禁用Burst Mode。在輕載時(shí)，強(qiáng)制連續(xù)模式可最小化輸出電壓紋波和噪聲，但效率低于Burst Mode。該模式適用于對(duì)Burst Mode輸出電壓紋波或其諧波敏感的應(yīng)用。

7.3 Burst Mode模式

將MODE引腳保持在1.2V以上可啟用自動(dòng)Burst Mode，禁用強(qiáng)制連續(xù)模式。隨著負(fù)載電流的增加，轉(zhuǎn)換器會(huì)在Burst Mode和PWM操作之間自動(dòng)切換；反之，當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)從PWM操作自動(dòng)切換到Burst Mode。在Burst之間，轉(zhuǎn)換器不工作，大部分內(nèi)部電路被禁用，靜態(tài)電流降至2.6μA。Burst Mode的進(jìn)入和退出由電感峰值電流決定，因此進(jìn)入或退出Burst Mode的負(fù)載電流取決于輸入電壓、輸出電壓和電感值。

7.4 軟啟動(dòng)

轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部閉環(huán)軟啟動(dòng)電路，標(biāo)稱持續(xù)時(shí)間為1.4ms。在軟啟動(dòng)期間，轉(zhuǎn)換器保持調(diào)節(jié)狀態(tài)，能夠響應(yīng)輸出負(fù)載瞬變。輸出電壓上升時(shí)間對(duì)輸出電容大小或負(fù)載電流的依賴性較小。

7.5 熱關(guān)斷

如果芯片溫度超過(guò)150°C（典型值），轉(zhuǎn)換器和LDO將被禁用，所有功率器件將關(guān)閉，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。熱關(guān)斷期間，軟啟動(dòng)電路將復(fù)位，以便在過(guò)熱條件消除后實(shí)現(xiàn)平滑恢復(fù)。如果啟用，當(dāng)芯片溫度降至約130°C時(shí)，轉(zhuǎn)換器和LDO將重新啟動(dòng)。

7.6 電源良好狀態(tài)輸出

PGOOD引腳是一個(gè)開(kāi)漏輸出，用于指示降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓狀態(tài)。如果輸出電壓低于調(diào)節(jié)電壓的10%，PGOOD開(kāi)漏輸出將拉低。內(nèi)置的去毛刺延遲可防止因負(fù)載階躍時(shí)的電壓瞬變而產(chǎn)生誤觸發(fā)。輸出電壓必須上升到下降閾值以上2%，下拉才會(huì)關(guān)閉。在過(guò)熱關(guān)斷和欠壓鎖定期間，PGOOD輸出也將拉低，以指示這些故障條件。PGOOD輸出在降壓轉(zhuǎn)換器啟用后1ms有效。當(dāng)轉(zhuǎn)換器禁用時(shí)，開(kāi)漏器件將被強(qiáng)制進(jìn)入低阻抗?fàn)顟B(tài)。PGOOD上拉電壓必須低于引腳的6V絕對(duì)最大電壓額定值。

7.7 電流限制

當(dāng)內(nèi)部限制閾值達(dá)到時(shí)，電感峰值電流限制比較器將關(guān)閉降壓開(kāi)關(guān)。峰值開(kāi)關(guān)電流不小于400mA。

7.8 斜率補(bǔ)償

電流模式控制需要使用斜率補(bǔ)償來(lái)防止在高占空比操作時(shí)電感電流波形出現(xiàn)次諧波振蕩。LTC3104通過(guò)在電流檢測(cè)信號(hào)中添加補(bǔ)償斜坡來(lái)實(shí)現(xiàn)斜率補(bǔ)償。電流限制功能在添加補(bǔ)償斜坡之前完成，因此實(shí)現(xiàn)了與占空比無(wú)關(guān)的電感峰值電流限制。

7.9 短路保護(hù)

當(dāng)輸出短路到地時(shí)，誤差放大器將飽和，高端開(kāi)關(guān)將在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)導(dǎo)通，并保持導(dǎo)通狀態(tài)直到電流限制觸發(fā)。在最小導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電感電流將迅速增加，而在周期的其余時(shí)間內(nèi)，由于硬輸出短路產(chǎn)生的非常小的反向電壓，電感電流將非常緩慢地減小。為了消除這種情況下電感電流失控的可能性，當(dāng)FB引腳電壓低于0.3V時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率將降低到約300kHz。

7.10 BST引腳功能

輸入開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器由BST引腳產(chǎn)生的電壓供電。SW和BST引腳之間的外部電容和內(nèi)部同步PMOS升壓開(kāi)關(guān)用于產(chǎn)生高于輸入電壓的電壓。當(dāng)同步整流器導(dǎo)通（SW為低電平）時(shí)，內(nèi)部升壓開(kāi)關(guān)將電容的一側(cè)連接到VCC，補(bǔ)充其電荷。當(dāng)同步整流器關(guān)斷時(shí)，輸入開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，使SW變?yōu)楦唠娖剑珺ST引腳相對(duì)于地的電位等于VCC + SW。比較器確保升壓電容兩端有足夠的電壓，以保證在長(zhǎng)時(shí)間睡眠后或啟動(dòng)到預(yù)偏置輸出時(shí)能夠正常啟動(dòng)。

7.11 欠壓鎖定

LTC3104具有內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）功能，如果電源電壓降至2.1V（典型值）以下，將禁用轉(zhuǎn)換器。在欠壓鎖定期間，轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)將復(fù)位，以便在輸入電壓上升到欠壓鎖定閾值以上時(shí)實(shí)現(xiàn)平滑重啟。RUN引腳也可以通過(guò)連接到一個(gè)電阻分壓器來(lái)配置為VIN電源的精確欠壓鎖定。

7.12 VLDO輸出

VLDO輸出使用內(nèi)部PMOS傳輸器件，能夠保證10mA的負(fù)載，典型壓降為150mV。LDO由VINLDO輸入供電，VINLDO可以連接到獨(dú)立的電源或降壓轉(zhuǎn)換器的VOUT。只有當(dāng)VIN在VINLDO引腳的絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)時(shí)，VINLDO才能連接到VIN。當(dāng)VINLDO連接到VIN時(shí)，靜態(tài)電流將增加約0.3μA。VLDO輸出僅在VIN大于UVLO閾值且RUNLDO引腳為高電平時(shí)才有效，但可以通過(guò)將RUNLDO引腳拉低至0.5V以下來(lái)獨(dú)立禁用。LDO設(shè)計(jì)為在使用4.7μF的小電容時(shí)保持穩(wěn)定，并且在不使用串聯(lián)電阻的情況下，能夠在任意大的電容值下保持穩(wěn)定運(yùn)行。LDO輸出具有20mA（典型值）的電流限制保護(hù)。在欠壓或過(guò)熱故障期間，LDO將被禁用，直到故障條件消除。

8. 應(yīng)用信息

8.1 電感選擇

電感值的選擇會(huì)影響效率和輸出電壓紋波。較大的電感值可以降低電感電流紋波，從而降低輸出電壓紋波。對(duì)于固定的直流電阻，較大的電感值可以通過(guò)降低峰值電流使其更接近平均值來(lái)提高效率。然而，同一系列中較大值的電感通常具有更大的串聯(lián)電阻，從而抵消了這種效率優(yōu)勢(shì)。根據(jù)所需的峰峰值電流紋波?IL，可以通過(guò)公式 (L geq frac{V{OUT}}{1.2 cdot Delta I{L}} cdot (1 - frac{V{OUT}}{V{IN}})) 計(jì)算所需的電感值。合理的紋波電流選擇為?IL = 120mA，即最大300mA負(fù)載電流的40%。電感的直流電流額定值應(yīng)至少等于最大負(fù)載電流加上紋波電流的一半，以防止磁芯飽和和運(yùn)行期間效率降低。為了優(yōu)化效率，電感應(yīng)具有較低的串聯(lián)電阻。在空間受限的應(yīng)用中，使用較小值的電感可能更有利，但會(huì)導(dǎo)致更大的紋波電流，從而降低效率。此外，為了保持電流環(huán)路的穩(wěn)定性，需要一個(gè)最小電感值。如果降壓轉(zhuǎn)換器的占空比大于40%，電感值必須至少為 (L{MIN} geq 2.5 cdot V{OUT})。

8.2 輸出電容選擇

在降壓輸出端應(yīng)使用低ESR的輸出電容，以最小化電壓紋波。多層陶瓷電容是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗鼈兙哂械虴SR和小尺寸。輸出電容的值不僅會(huì)影響輸出紋波的大小，還會(huì)設(shè)置環(huán)路交叉頻率，從而影響環(huán)路穩(wěn)定性。為了確保環(huán)路穩(wěn)定，需要一個(gè)最小和最大電容值。如果輸出電容太小，環(huán)路交叉頻率會(huì)增加，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)延遲和誤差放大器的高頻寄生極點(diǎn)會(huì)降低相位裕度。此外，小輸出電容產(chǎn)生的較寬帶寬會(huì)使環(huán)路更容易受到開(kāi)關(guān)噪聲的影響。另一方面，如果輸出電容太大，交叉頻率會(huì)降低到補(bǔ)償零點(diǎn)以下，也會(huì)導(dǎo)致相位裕度降低。在Burst Mode操作中，輸出電容在LTC3104處于脈沖之間的低電流睡眠狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)能量，以滿足負(fù)載電流需求。在睡眠期間，可能需要幾個(gè)周期才能響應(yīng)大的負(fù)載階躍。如果需要大的瞬態(tài)負(fù)載電流，可以使用更大的電容來(lái)最小化輸出電壓下降，直到器件從Burst Mode操作轉(zhuǎn)換到連續(xù)模式操作。需要注意的是，即使是X5R和X7R類型的陶瓷電容也存在直流偏置效應(yīng)，當(dāng)施加直流電壓時(shí)，其電容會(huì)減小。在最小尺寸的封裝中，電容在接近額定電壓下工作時(shí)，其電容值可能會(huì)損失超過(guò)50%。因此，有時(shí)需要使用更大的電容值或更高的電壓額定值，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電容值。

8.3 輸入電容選擇

VIN和VINLDO引腳分別為降壓轉(zhuǎn)換器和LDO的功率級(jí)提供電流。建議使用至少10μF的低ESR陶瓷電容對(duì)每個(gè)引腳進(jìn)行旁路。這些電容應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)的引腳放置，并具有較短的返回路徑到GND引腳。

8.4 輸出電壓編程

輸出電壓通過(guò)電阻分壓器根據(jù)公式 (V_{OUT} = 0.6V cdot (1 + frac{R_2}{R1})) 設(shè)置。為了改善瞬態(tài)響應(yīng)，可以在電阻R2上并聯(lián)一個(gè)前饋電容CFF。前饋電容通過(guò)在環(huán)路動(dòng)態(tài)中添加一個(gè)零極點(diǎn)對(duì)來(lái)修改環(huán)路動(dòng)態(tài)，從而產(chǎn)生相位提升，提高相位裕度并增加瞬態(tài)響應(yīng)速度，減少負(fù)載瞬變時(shí)的電壓偏差。零頻率 (f{ZERO} = frac{1}{2 cdot pi cdot R_2 cdot CFF})。對(duì)于R2電阻值約為1M的情況，12pF的陶瓷電容就足夠了，但可以根據(jù)具體應(yīng)用參數(shù)調(diào)整該值以優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)。在Burst Mode應(yīng)用中，例如，CFF = 27pF可以降低輕載時(shí)的輸出電壓紋波。

8.5 最小關(guān)斷時(shí)間/導(dǎo)通時(shí)間考慮

LTC3104的最大占空比受到升壓電容刷新時(shí)間、開(kāi)關(guān)的上升/下降時(shí)間以及PWM比較器、電平轉(zhuǎn)換和柵極驅(qū)動(dòng)中的傳播延遲的限制。最小關(guān)斷時(shí)間通常為65ns，這限制了最大占空比 (DC{MAX} = 1 - (f cdot t{OFF(MIN)}))，其中f是1.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率，(t{OFF(MIN)}) 是最小關(guān)斷時(shí)間。如果最大占空比超過(guò)限制，例如由于輸入電壓下降，輸出將失去調(diào)節(jié)。為了避免這種情況，最小輸入電壓 (V{IN(MIN)}