LT3581：多功能DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，DC/DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)常見且關(guān)鍵的元件。今天我們就來深入探討一下Linear Technology公司的LT3581這款多功能DC/DC轉(zhuǎn)換器，看看它在設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面有哪些獨(dú)特之處。

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一、產(chǎn)品概述

LT3581是一款具備內(nèi)置故障保護(hù)功能的PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠有效保護(hù)電路免受輸出短路、輸入/輸出過壓以及過熱等情況的影響。它擁有一個(gè)42V的主開關(guān)和一個(gè)42V的從開關(guān)，兩者可連接在一起，實(shí)現(xiàn)高達(dá)3.3A的總電流限制。這種設(shè)計(jì)使得LT3581在很多本地電源設(shè)計(jì)中都表現(xiàn)出色，可輕松配置為升壓、SEPIC、反相或反激式轉(zhuǎn)換器。

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）功率開關(guān)與電流能力

• 它采用了3.3A、42V的組合功率開關(guān)，以及主/從（1.9A/1.4A）開關(guān)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)不僅能夠提供較大的電流輸出，還能根據(jù)實(shí)際需求靈活分配電流，提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性。
• 在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)負(fù)載的大小來合理利用主從開關(guān)，確保電路的高效運(yùn)行。例如，在輕負(fù)載情況下，只啟用部分開關(guān)，減少不必要的功耗。

（二）輸入輸出范圍與頻率

• 輸入范圍廣泛，可在2.5V至22V的電壓下正常工作，最大瞬態(tài)電壓可達(dá)40V。這使得它能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，無論是電池供電還是其他電源系統(tǒng)，都能穩(wěn)定運(yùn)行。
• 開關(guān)頻率最高可達(dá)2.5MHz，高頻工作可以減小外部電感和電容的尺寸，從而降低成本和電路板空間。同時(shí)，它還可以與外部時(shí)鐘或其他開關(guān)穩(wěn)壓器同步，方便在多電源系統(tǒng)中使用。

（三）故障保護(hù)功能

• 具備輸出短路保護(hù)功能，當(dāng)輸出端發(fā)生短路時(shí)，能夠迅速切斷電路，保護(hù)芯片和其他元件不受損壞。
• 還能檢測(cè)輸入/輸出過壓和過熱情況，一旦出現(xiàn)異常，會(huì)及時(shí)采取措施，確保電路的安全運(yùn)行。

（四）其他特性

• 用戶可配置欠壓鎖定功能，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置啟動(dòng)和關(guān)閉電壓，提高了電路的靈活性。
• 低VCESAT開關(guān)，在2.75A電流下典型值為250mV，降低了開關(guān)損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。
• 高增益SHDN引腳能夠接受緩慢變化的輸入信號(hào)，方便進(jìn)行系統(tǒng)控制。

三、工作原理與操作模式

（一）啟動(dòng)過程

• 精確開啟電壓：通過將SHDN引腳與內(nèi)部電壓參考進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)精確的開啟電壓控制。當(dāng)SHDN引腳電壓高于1.33V（典型值）時(shí)，芯片啟動(dòng)；低于300mV時(shí)，芯片關(guān)閉，此時(shí)靜態(tài)電流極低。同時(shí)，SHDN引腳具有30mV的遲滯，可防止干擾和緩慢上升的電壓影響芯片的正常工作。
• 欠壓鎖定（UVLO）：SHDN引腳還可用于創(chuàng)建可配置的UVLO功能。通過一個(gè)電阻分壓器（或單個(gè)電阻）從輸入電壓連接到SHDN引腳，可以設(shè)置芯片在所需的輸入電壓下開啟或關(guān)閉。此外，芯片內(nèi)部也有UVLO電路，當(dāng)輸入電壓低于2.3V（典型值）時(shí)，會(huì)自動(dòng)禁用芯片。
• 開關(guān)電流軟啟動(dòng)：軟啟動(dòng)電路可使開關(guān)電流逐漸上升。當(dāng)芯片從關(guān)機(jī)狀態(tài)恢復(fù)時(shí)，外部SS電容首先放電，重置芯片內(nèi)部邏輯電路的狀態(tài)。然后，一個(gè)集成的250k電阻將SS引腳拉至約1.8V，其電壓上升速率由該電阻和外部電容決定。當(dāng)SS引腳電壓達(dá)到1.8V時(shí)，CLKOUT引腳啟用，內(nèi)部穩(wěn)壓器將引腳迅速拉高至約2.1V。
• 外部PMOS軟啟動(dòng)：軟啟動(dòng)電路還能逐漸增加GATE引腳的下拉電流，使外部PMOS緩慢開啟。GATE引腳電流隨SS電壓線性增加，當(dāng)SS電壓超過500mV時(shí)，最大下拉電流可達(dá)933μA。如果SS電壓超過500mV且GATE引腳電壓低于2V，GATE引腳對(duì)地呈現(xiàn)2kΩ的阻抗。這種軟啟動(dòng)方式有助于限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，使熱插拔操作更加安全。

（二）采樣模式

采樣模式是LT3581用于檢測(cè)輸出短路的一種機(jī)制。在這種模式下，主從功率開關(guān)（Q1和Q2）在每個(gè)時(shí)鐘周期（或在頻率折返時(shí)每幾個(gè)時(shí)鐘周期）開啟一段最短時(shí)間，以“采樣”電感電流。如果通過Q1的采樣電流超過主開關(guān)電流限制（最小1.9A），芯片將觸發(fā)內(nèi)部過流故障。當(dāng)FB引腳電壓超出正常調(diào)節(jié)范圍約3.7%（45mV < FB < 1.17V）時(shí)，采樣模式激活。

（三）頻率折返

當(dāng)350mV < FB < 900mV（典型值）時(shí)，頻率折返電路會(huì)降低開關(guān)頻率。這一特性降低了芯片能夠?qū)崿F(xiàn)的最小占空比，從而在啟動(dòng)時(shí)更好地控制電感電流。當(dāng)FB引腳電壓超出該范圍時(shí)，開關(guān)頻率恢復(fù)正常。需要注意的是，啟動(dòng)時(shí)的峰值電感電流受多種因素影響，如負(fù)載特性、輸出電容、目標(biāo)輸出電壓、輸入電壓、開關(guān)頻率等。因此，在每個(gè)應(yīng)用中都需要進(jìn)行測(cè)試，以確保峰值電感電流不超過最小故障電流限制。

（四）調(diào)節(jié)過程

在正常調(diào)節(jié)過程中，假設(shè)FB引腳電壓接近其調(diào)節(jié)目標(biāo)，芯片不在采樣模式下工作。每個(gè)振蕩器周期開始時(shí)，SR鎖存器（SR1）置位，開啟功率開關(guān)Q1和Q2。主開關(guān)Q1的集電極電流約為從開關(guān)Q2集電極電流的1.3倍（當(dāng)兩個(gè)開關(guān)的集電極連接在一起時(shí)）。Q1的發(fā)射極電流通過一個(gè)電流檢測(cè)電阻（RS），產(chǎn)生與總開關(guān)電流成正比的電壓。該電壓（經(jīng)A4放大）與一個(gè)穩(wěn)定斜坡相加，結(jié)果輸入到PWM比較器A3的正輸入端。當(dāng)A3正輸入端的電壓超過負(fù)輸入端的電壓時(shí)，SR鎖存器復(fù)位，關(guān)閉主從功率開關(guān)。A3負(fù)輸入端的電壓（VC引腳）由A1（或A2）設(shè)置，它是FB引腳電壓與參考電壓（如果LT3581配置為升壓轉(zhuǎn)換器，則為1.215V；如果配置為反相轉(zhuǎn)換器，則為9mV）之間的放大差值。通過這種方式，誤差放大器設(shè)置正確的峰值電流水平，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。只要芯片不在故障狀態(tài)（見故障操作部分）且SS引腳電壓超過1.8V，LT3581就會(huì)以RT引腳或SYNC引腳設(shè)置的頻率驅(qū)動(dòng)CLKOUT引腳。CLKOUT引腳可用于同步其他兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器IC，并且其占空比與芯片的結(jié)溫呈線性關(guān)系，可作為溫度監(jiān)測(cè)使用。

（五）故障處理

LT3581的FAULT引腳是一個(gè)低電平有效、雙向的引腳，當(dāng)拉低時(shí)表示發(fā)生故障。以下事件可觸發(fā)芯片的故障：

• FAULT1事件：包括SW過流（ISW1 > 1.9A（最小）或（ISW1 + ISW2）> 3.3A（最?。⑤斎腚妷篤IN > 22V（最?。?、SW1和/或SW2電壓 > 42V（最小）以及芯片溫度 > 165°C。
• FAULT2事件：外部將FAULT引腳拉低。

當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，除了內(nèi)部將FAULT引腳拉低外，芯片還會(huì)禁用CLKOUT引腳，關(guān)閉功率開關(guān)，GATE引腳變?yōu)楦咦杩埂Ｍ獠縋MOS（M1）通過外部RGATE電阻將柵極拉高至源極而關(guān)閉，切斷從VIN到VOUT的電源路徑，保護(hù)下游功率元件。同時(shí)，會(huì)啟動(dòng)一個(gè)超時(shí)序列，將SS引腳充電至1.8V（如果FAULT1事件仍未結(jié)束，SS引腳將繼續(xù)充電至2.1V并保持在該電壓），然后放電至50mV。這個(gè)超時(shí)周期可使芯片、PMOS和其他下游功率元件在一定時(shí)間內(nèi)免受電氣和熱應(yīng)力的影響，其時(shí)間由SS引腳的電壓上升速率決定。在無故障情況下，外部RFault電阻（通常為100k）將FAULT引腳拉高。

四、應(yīng)用電路與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）升壓轉(zhuǎn)換器

• LT3581可以很方便地配置成升壓轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)正輸出電壓高于輸入電壓的功能。在這個(gè)電路中，一個(gè)外部PMOS（可選）由GATE引腳驅(qū)動(dòng)，在故障發(fā)生時(shí)可以實(shí)現(xiàn)輸入或輸出的斷開。通過一個(gè)反饋電阻就可以設(shè)置輸出電壓。對(duì)于輸出電壓高于40V的情況，可以參考電荷泵輔助調(diào)節(jié)器部分的內(nèi)容。
• 設(shè)計(jì)升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要根據(jù)輸入和輸出電壓、開關(guān)頻率等參數(shù)來計(jì)算各個(gè)元件的值。例如，電感的選擇要考慮其能提供足夠的負(fù)載電流、避免次諧波振蕩以及提供最小紋波電流以防止電流比較器誤觸發(fā)等因素。同時(shí)，輸出電容的選擇要考慮其低ESR（等效串聯(lián)電阻）特性，以減小輸出紋波電壓。

（二）SEPIC轉(zhuǎn)換器

• SEPIC轉(zhuǎn)換器允許輸出電壓低于、等于或高于輸入電壓。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身就具有輸出斷開功能，因?yàn)殡娙軨1的存在使得輸入和輸出之間沒有直流路徑，所以在功率路徑中不需要由GATE引腳控制的PMOS。
• 在設(shè)計(jì)SEPIC轉(zhuǎn)換器時(shí)，同樣需要根據(jù)輸入、輸出電壓和開關(guān)頻率等參數(shù)來計(jì)算元件值。電感的選擇要滿足一定的條件，以確保電路的正常運(yùn)行和效率。

（三）雙電感反相轉(zhuǎn)換器

• 由于LT3581獨(dú)特的FB引腳，它可以在雙電感反相配置中工作，通過改變SEPIC拓?fù)渲蠰2和肖特基二極管的連接方式，可以產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。這種解決方案由于電感L2與輸出串聯(lián)，因此輸出電壓紋波非常低。而且，由于電容C1的存在，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身就具有輸出斷開功能。
• 設(shè)計(jì)雙電感反相轉(zhuǎn)換器時(shí)，元件的選擇和計(jì)算也有其特定的要求，要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景來進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

五、布局與散熱考慮

（一）布局指南

• 通用布局：為了優(yōu)化熱性能，要將LT3581的外露接地焊盤焊接到接地平面，并使用多個(gè)過孔連接到額外的接地平面。在開關(guān)電路下方使用接地平面，以防止層間耦合和整體噪聲。高速開關(guān)路徑要盡可能短，以減少寄生電感尖峰。VC、FB和RT元件應(yīng)盡量靠近LT3581放置，同時(shí)遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)，這些元件的接地應(yīng)與開關(guān)電流路徑分開。VIN引腳的旁路電容要盡量靠近芯片，電感的旁路電容要盡量靠近電感。負(fù)載應(yīng)直接連接到輸出電容的正負(fù)極，以獲得最佳的負(fù)載調(diào)節(jié)效果。
• 不同拓?fù)涞奶囟ú季?/strong>：對(duì)于升壓拓?fù)洌M量縮短開關(guān)、二極管D1、輸出電容COUT1和接地回路的長(zhǎng)度，以減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)的寄生電感尖峰。對(duì)于SEPIC拓?fù)洌s短開關(guān)、飛跨電容C1、二極管D1、輸出電容COUT和接地回路的長(zhǎng)度。對(duì)于反相拓?fù)洌獙1陰極到芯片的接地回路與輸出電容COUT到芯片的接地回路分開，以減少開關(guān)噪聲對(duì)輸出的耦合，同時(shí)縮短開關(guān)、飛跨電容C1、二極管D1和接地回路的長(zhǎng)度。