LTC3113：高效低噪的寬輸入范圍Buck - Boost DC/DC轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器是電源管理的關(guān)鍵組件，特別是對于那些對電源穩(wěn)定性和效率有較高要求的應(yīng)用。今天，我們來詳細(xì)探討Linear Technology公司的LTC3113，一款高性能的寬輸入范圍Buck - Boost DC/DC轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3113是一款寬$V_{IN}$范圍、高效、固定頻率的Buck - Boost DC/DC轉(zhuǎn)換器。它的獨(dú)特之處在于能夠在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下正常工作，這使得它在各種復(fù)雜的電源場景中都能發(fā)揮出色的性能。該轉(zhuǎn)換器采用單電感低噪聲架構(gòu)，可提供高達(dá)3A的連續(xù)輸出電流，最高效率可達(dá)96%，非常適合對噪聲敏感的RF和精密測量應(yīng)用。

產(chǎn)品特性

• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入和輸出電壓范圍為1.8V至5.5V，能夠適應(yīng)多種電源和負(fù)載需求。
• 高輸出電流能力：在$V{IN}>3.0V$，$V{OUT}=3.8V$時(shí)，可提供3A的連續(xù)輸出電流；在$V{IN}≥1.8V$，$V{OUT}=3.3V$時(shí)，可提供1.5A的連續(xù)輸出電流。
• 低噪聲架構(gòu)：單電感低噪聲Buck - Boost架構(gòu)，有效降低了電源噪聲。
• 高效節(jié)能：最高效率可達(dá)96%，并支持可編程頻率（300kHz至2MHz）和可選的Burst Mode?操作，在輕負(fù)載時(shí)可提高效率。
• 低功耗設(shè)計(jì)：關(guān)機(jī)電流小于1μA，內(nèi)部集成軟啟動(dòng)功能，減少了啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。
• 小型封裝：采用小型、熱增強(qiáng)型的16引腳（4mm×5mm×0.75mm）DFN封裝和20引腳TSSOP封裝，節(jié)省了PCB空間。

應(yīng)用領(lǐng)域

LTC3113的應(yīng)用非常廣泛，包括無線調(diào)制解調(diào)器、備用電源系統(tǒng)、便攜式庫存終端、便攜式條形碼閱讀器和便攜式儀器等。

二、電氣特性

輸入輸出范圍

輸入工作范圍為1.8V至5.5V，輸出電壓調(diào)整范圍同樣為1.8V至5.5V，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

反饋電壓和電流

反饋電壓在$V{BURST}=0V$時(shí)，典型值為600mV；反饋輸入電流在$V{FB}=0.7V$時(shí)，最大值為50nA。

靜態(tài)電流

在不同工作模式下，靜態(tài)電流表現(xiàn)出色。Burst Mode操作時(shí)，靜態(tài)電流典型值為40μA；關(guān)機(jī)時(shí)，靜態(tài)電流小于1μA；活動(dòng)狀態(tài)下，靜態(tài)電流典型值為300μA。

電流限制

輸入電流限制典型值為7.8A，峰值電流限制典型值為11.1A，Burst Mode峰值電流限制典型值為1.9A，反向電流限制典型值為 - 1A。

開關(guān)電阻和占空比

NMOS開關(guān)導(dǎo)通電阻典型值為25mΩ至35mΩ，PMOS開關(guān)導(dǎo)通電阻典型值為30mΩ至40mΩ。最大占空比在Boost模式下為90%，Buck模式下為100%，最小占空比為0%。

頻率和誤差放大器

頻率精度在$R_{T}=90.9kΩ$時(shí)，典型值為1MHz。誤差放大器的開環(huán)增益典型值為100dB，源電流和灌電流分別為500μA和160μA。

邏輯閾值和軟啟動(dòng)時(shí)間

BURST和RUN輸入邏輯閾值典型值為0.7V，輸入電流最大值為1μA。軟啟動(dòng)時(shí)間典型值為2ms。

三、工作原理

振蕩器和誤差放大器

LTC3113的工作頻率可通過連接在RT引腳和地之間的外部電阻進(jìn)行編程，范圍為300kHz至2MHz。誤差放大器是一個(gè)高增益電壓模式放大器，通過連接在VC和FB引腳之間的R - C網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償，以確保轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行。

電流限制

該轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)電流限制電路。主電流限制是一個(gè)平均電流限制電路，當(dāng)輸入電流超過7.8A時(shí)，會(huì)向FB引腳注入電流以降低輸出電壓。此外，還有一個(gè)峰值電流限制電路，當(dāng)電流超過平均電流限制值的約142%時(shí)，會(huì)關(guān)閉開關(guān)A，提供額外的短路保護(hù)。當(dāng)輸出電壓低于1.2V時(shí)，兩個(gè)電流限制值會(huì)相應(yīng)降低。

反向電流限制

在固定頻率操作期間，開關(guān)D上的反向電流比較器會(huì)監(jiān)測進(jìn)入$V_{OUT}$的電流。當(dāng)電流超過1A（典型值）時(shí)，開關(guān)D會(huì)在剩余的開關(guān)周期內(nèi)關(guān)閉，防止Buck - Boost轉(zhuǎn)換器受到過大的反向電流影響。

內(nèi)部軟啟動(dòng)

LTC3113具有獨(dú)立的內(nèi)部軟啟動(dòng)電路，持續(xù)時(shí)間為2ms。在軟啟動(dòng)期間，轉(zhuǎn)換器保持調(diào)節(jié)狀態(tài)，并能響應(yīng)輸出負(fù)載瞬變。同時(shí)，輸出電壓上升時(shí)間對輸出電容大小和負(fù)載電流的依賴性較小。

熱關(guān)斷和欠壓鎖定

當(dāng)芯片溫度超過155°C時(shí)，LTC3113會(huì)自動(dòng)禁用，所有功率器件關(guān)閉，開關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)溫度下降到約145°C時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)重新啟動(dòng)。當(dāng)電源電壓低于1.6V（典型值）時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)被禁用，軟啟動(dòng)電路會(huì)復(fù)位，當(dāng)輸入電壓上升到1.7V（典型值）以上時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)重新啟動(dòng)。

PWM模式和Burst Mode操作

• PWM模式：當(dāng)BURST引腳置低時(shí)，轉(zhuǎn)換器以固定頻率的PWM模式運(yùn)行，可提供全輸出電流。其獨(dú)特的開關(guān)算法允許在Buck、Buck - Boost和Boost模式之間無縫切換，消除了電感電流的不連續(xù)性，提高了效率和穩(wěn)定性。
• Burst Mode操作：當(dāng)BURST引腳置高時(shí)，轉(zhuǎn)換器采用可變頻率開關(guān)算法，以提高輕負(fù)載時(shí)的效率并降低零負(fù)載時(shí)的待機(jī)電流。在Burst Mode操作中，電感以固定峰值幅度電流脈沖充電，因此只能提供部分最大輸出電流。

四、應(yīng)用信息

輸出電壓編程

通過連接在FB引腳的外部電阻分壓器，可以設(shè)置Buck - Boost輸出電壓，計(jì)算公式為$V{OUT}=0.600(1+frac{R2}{R1})(V)$，其中R1連接在FB和SGND之間，R2連接在FB和$V{OUT}$之間。輸出電壓可在1.8V至5.5V之間調(diào)整。

電感選擇

為了實(shí)現(xiàn)高效率，應(yīng)選擇低ESR的電感，并且其飽和電流額定值應(yīng)大于最壞情況下的平均電感電流加上一半的紋波電流。電感的峰 - 峰電流紋波在Buck和Boost模式下會(huì)有所不同，可通過相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算。為了確保在無負(fù)載條件下不觸發(fā)反向電流比較器，建議峰 - 峰電感紋波不超過800mA。不同的電感值會(huì)影響輸出電流紋波、反饋環(huán)路穩(wěn)定性和最大輸出能力，同時(shí)電感的核心材料和樣式也會(huì)影響其尺寸、價(jià)格和EMI特性。

輸出和輸入電容選擇

輸出電容應(yīng)選擇低ESR的多層陶瓷電容，以最小化輸出電壓紋波。電容的大小應(yīng)根據(jù)所需的輸出電壓紋波進(jìn)行選擇，可通過相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算。輸入電容建議使用至少47μF的低ESR陶瓷電容，并盡可能靠近$V_{IN}$引腳放置，以減少雜散電阻。

PCB布局考慮

由于LTC3113在高頻下切換大電流，PCB布局對其性能至關(guān)重要。應(yīng)盡量縮短所有高電流路徑，將旁路電容靠近IC放置，并確保其接地路徑最短。暴露焊盤應(yīng)通過多個(gè)過孔直接連接到接地平面，以提高散熱性能和功率處理能力。所有關(guān)鍵組件應(yīng)放置在完整的接地平面上，以減少環(huán)路截面積，降低EMI和電感壓降。

反饋環(huán)路閉合

LTC3113采用電壓模式PWM控制，其控制 - 輸出增益隨工作區(qū)域（Buck、Buck - Boost、Boost）而變化。輸出濾波器具有雙極點(diǎn)響應(yīng)和右半平面（RHP）零，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償以確保環(huán)路穩(wěn)定。簡單的Type I補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以穩(wěn)定環(huán)路，但會(huì)降低帶寬和瞬態(tài)響應(yīng)；為了獲得更高的帶寬，建議使用Type III補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

五、典型應(yīng)用

Li - Ion電池供電應(yīng)用

將Li - Ion電池的電壓轉(zhuǎn)換為3.3V/3A或3.8V/3A的穩(wěn)定輸出，適用于各種便攜式設(shè)備。

超級(jí)電容備用電源

在超級(jí)電容供電的備份電源系統(tǒng)中，LTC3113可以在輸入電壓范圍為1.8V至4.5V時(shí)提供穩(wěn)定的輸出。

升壓和降壓轉(zhuǎn)換

如將3.3V轉(zhuǎn)換為5V/2.5A的升壓轉(zhuǎn)換，或3.3V轉(zhuǎn)換為1.8V/5A的降壓轉(zhuǎn)換，同時(shí)支持輸出斷開功能。

脈沖負(fù)載或便攜式RF功率放大器應(yīng)用

在脈沖負(fù)載或便攜式RF功率放大器應(yīng)用中，LTC3113能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化，提供穩(wěn)定的電源。

六、總結(jié)

LTC3113是一款功能強(qiáng)大、性能出色的Buck - Boost DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入輸出電壓范圍、高輸出電流能力、低噪聲、高效率等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，合理選擇外部組件和優(yōu)化PCB布局對于發(fā)揮其最佳性能至關(guān)重要。通過深入了解其工作原理和應(yīng)用信息，電子工程師可以更好地將LTC3113應(yīng)用于各種電源管理設(shè)計(jì)中。

你在使用LTC3113的過程中遇到過哪些問題？或者你對它的哪些特性最感興趣？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。