深入剖析 LT3757/LT3757A：多功能 DC/DC 控制器的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，DC/DC 控制器是電源設(shè)計(jì)里的關(guān)鍵角色。今天，我們就來詳細(xì)探討一下 LT3757/LT3757A 這款寬輸入范圍、電流模式的 DC/DC 控制器，看看它有哪些獨(dú)特之處和強(qiáng)大功能。

文件下載：LT3757.pdf

一、產(chǎn)品概述

LT3757/LT3757A 是一款功能強(qiáng)大的 DC/DC 控制器，具備寬輸入電壓范圍（2.9V 至 40V），能夠通過單個反饋引腳實(shí)現(xiàn)正或負(fù)輸出電壓編程。它采用電流模式控制，擁有出色的瞬態(tài)響應(yīng)能力，并且可以通過一個外部電阻對工作頻率進(jìn)行編程（范圍從 50kHz 到 1MHz），還能與外部時鐘同步。此外，該控制器具有低關(guān)機(jī)電流（<1μA）、內(nèi)部 7.2V 低壓差穩(wěn)壓器等特性，采用小型 10 引腳 DFN（3mm × 3mm）和熱增強(qiáng)型 10 引腳 MSOP 封裝，同時通過了 AEC - Q100 認(rèn)證，可用于汽車應(yīng)用。其典型應(yīng)用場景包括汽車和工業(yè)領(lǐng)域的升壓、反激、SEPIC 和反相轉(zhuǎn)換器，電信電源以及便攜式電子設(shè)備等。

二、關(guān)鍵特性解析

（一）寬輸入電壓范圍

2.9V 至 40V 的寬輸入電壓范圍，使得 LT3757/LT3757A 能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。無論是低電壓的電池供電系統(tǒng)，還是高電壓的工業(yè)電源，它都能穩(wěn)定工作，為設(shè)計(jì)人員提供了更大的靈活性。

（二）單反饋引腳實(shí)現(xiàn)正負(fù)輸出電壓編程

通過單個反饋引腳（FBX）實(shí)現(xiàn)正或負(fù)輸出電壓編程，大大簡化了電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員無需為正負(fù)輸出分別設(shè)計(jì)復(fù)雜的反饋電路，降低了設(shè)計(jì)難度和成本。

（三）電流模式控制

電流模式控制為系統(tǒng)帶來了優(yōu)秀的瞬態(tài)響應(yīng)能力。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，能夠快速調(diào)整輸出電流，確保輸出電壓的穩(wěn)定。同時，這種控制方式也有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（四）可編程工作頻率

通過一個外部電阻，可將工作頻率在 50kHz 到 1MHz 范圍內(nèi)進(jìn)行編程。較低的工作頻率可以降低開關(guān)損耗，提高效率；而較高的工作頻率則可以減小電感和電容等無源元件的尺寸，實(shí)現(xiàn)電路的小型化。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體應(yīng)用需求，靈活選擇合適的工作頻率。

（五）與外部時鐘同步

LT3757/LT3757A 支持與外部時鐘同步，這在多電源系統(tǒng)或?qū)r鐘同步要求較高的應(yīng)用中非常有用。通過同步功能，可以避免多個電源之間的干擾，提高系統(tǒng)的整體性能。

三、電氣特性

LT3757/LT3757A 的電氣特性涵蓋了多個方面，以下是一些關(guān)鍵參數(shù)的介紹：

（一）輸入電壓范圍

工作輸入電壓范圍為 2.9V 至 40V，能夠滿足不同電源的要求。在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，輸入電流極低，如 SHDN/UVLO = 0V 時，典型值僅為 0.1μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。

（二）反饋電壓調(diào)節(jié)

FBX 引腳的調(diào)節(jié)電壓在正電壓時為 1.569V 至 1.631V（典型值 1.6V），負(fù)電壓時為 - 0.816V 至 - 0.784V（典型值 - 0.8V），具有較高的精度和穩(wěn)定性。

（三）開關(guān)頻率

開關(guān)頻率可通過 RT 引腳的電阻進(jìn)行編程調(diào)節(jié)。例如，當(dāng) RT = 41.2k 時，典型開關(guān)頻率為 300kHz。同時，該控制器還具有最小關(guān)斷時間和最小導(dǎo)通時間（典型值均為 220ns），確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（四）內(nèi)部穩(wěn)壓器

內(nèi)部的 7.2V 低壓差穩(wěn)壓器（INTVCC）為內(nèi)部負(fù)載和柵極驅(qū)動器供電。其調(diào)節(jié)電壓范圍為 7V 至 7.4V（典型值 7.2V），具有過壓和欠壓鎖定功能，提高了系統(tǒng)的安全性。

四、工作原理及應(yīng)用電路

（一）主控制環(huán)路

LT3757/LT3757A 采用固定頻率、電流模式控制方案。在每個振蕩周期開始時，SR 鎖存器置位，通過驅(qū)動器打開外部功率 MOSFET 開關(guān) M1。開關(guān)電流流經(jīng)外部電流檢測電阻 RSENSE，產(chǎn)生與開關(guān)電流成正比的電壓。該電流檢測電壓與穩(wěn)定的斜坡補(bǔ)償信號相加后，輸入到 PWM 比較器的正端。當(dāng)該信號超過比較器負(fù)端（VC 引腳）的電平值時，SR 鎖存器復(fù)位，關(guān)閉功率開關(guān)。VC 引腳的電平由誤差放大器根據(jù)反饋電壓（FBX 引腳）與參考電壓的差值進(jìn)行調(diào)整，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。同時，該控制器還具有開關(guān)電流限制功能，當(dāng) SENSE 引腳電壓超過電流限制閾值時，會立即關(guān)閉功率開關(guān)，保護(hù)電路安全。

（二）應(yīng)用電路拓?fù)?/h3>

1. 升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器適用于輸出電壓高于輸入電壓的應(yīng)用場景。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，其轉(zhuǎn)換比為 ( frac{V{OUT }}{V{IN }}=frac{1}{1 - D} ) ，其中 D 為占空比。最大占空比 ( D{MAX }=frac{V{OUT } - V{IN(MIN)}}{V{OUT }} ) 。在設(shè)計(jì)升壓轉(zhuǎn)換器時，需要合理選擇電感、功率 MOSFET、輸出二極管、輸出電容和輸入電容等元件。例如，電感的選擇需要根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電流、工作頻率和紋波電流等因素進(jìn)行計(jì)算；功率 MOSFET 的耐壓值應(yīng)高于輸出電壓，并考慮一定的安全余量；輸出二極管應(yīng)選擇快速開關(guān)、正向壓降小和反向泄漏小的器件。

2. 反激轉(zhuǎn)換器

反激轉(zhuǎn)換器適用于多輸出、高輸出電壓或隔離輸出的應(yīng)用。它可以工作在連續(xù)模式或不連續(xù)模式。在不連續(xù)模式下，其轉(zhuǎn)換比為 ( frac{V{OUT }}{V{IN }}=frac{N{S}}{N{P}} cdot frac{D}{D2} ) ，其中 ( frac{N{S}}{N{P}} ) 為次級與初級匝數(shù)比。設(shè)計(jì)反激轉(zhuǎn)換器時，需要注意變壓器的設(shè)計(jì)、緩沖電路的設(shè)計(jì)以及各元件參數(shù)的選擇。變壓器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)輸入輸出電壓、功率、工作模式等因素確定匝數(shù)比和電感值；緩沖電路用于抑制 MOSFET 關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓尖峰，保護(hù)器件安全。

3. SEPIC 轉(zhuǎn)換器

SEPIC 轉(zhuǎn)換器允許輸入電壓高于、等于或低于輸出電壓，且在輸入和輸出之間不存在直流路徑，適用于需要在關(guān)機(jī)時將輸出與輸入源斷開的應(yīng)用。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，其轉(zhuǎn)換比為 ( frac{V{OUT } + V{D}}{V{IN }}=frac{D}{1 - D} ) ，其中 ( V{D} ) 為二極管正向壓降。該轉(zhuǎn)換器包含兩個電感，設(shè)計(jì)時需要根據(jù)輸入輸出功率、工作頻率和紋波電流等因素確定電感值和其他元件參數(shù)。

4. 反相轉(zhuǎn)換器

反相轉(zhuǎn)換器可將輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，其 ( frac{V{OUT } - V{D}}{V_{IN }}=-frac{D}{1 - D} ) 。與其他轉(zhuǎn)換器類似，設(shè)計(jì)反相轉(zhuǎn)換器時也需要合理選擇電感、功率 MOSFET、輸出二極管、輸出電容和輸入電容等元件，同時還需要選擇合適的直流耦合電容。

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（一）關(guān)斷和欠壓檢測

SHDN/UVLO 引腳用于控制芯片的啟用和關(guān)斷狀態(tài)，同時具有欠壓檢測功能。通過合理設(shè)置外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，可以精確編程芯片的開啟和關(guān)閉閾值，并實(shí)現(xiàn)可編程的滯回功能。當(dāng)該引腳電壓低于 0.4V 時，芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，輸入靜態(tài)電流可降低到 1μA 以下。

（二）內(nèi)部穩(wěn)壓器旁路和操作

內(nèi)部的 7.2V 低壓差穩(wěn)壓器（INTVCC）為柵極驅(qū)動器和內(nèi)部邏輯電路供電。該穩(wěn)壓器需要使用至少 4.7μF 的陶瓷電容進(jìn)行旁路，以提供 MOSFET 柵極驅(qū)動器所需的高瞬態(tài)電流。在實(shí)際應(yīng)用中，大部分芯片電源電流用于驅(qū)動功率 MOSFET 的柵極電容，因此需要合理選擇 MOSFET 和工作頻率，以避免芯片過熱。若輸入電壓不超過 MOSFET 柵極 - 源極電壓和 INTVCC 過壓鎖定閾值（17.5V），可以將 INTVCC 引腳直接連接到輸入電壓引腳，以關(guān)閉內(nèi)部穩(wěn)壓器，降低功耗。但在需要最低關(guān)機(jī)模式輸入電源電流的應(yīng)用中，不建議這樣連接。

（三）工作頻率和同步

工作頻率的選擇需要綜合考慮芯片功耗、效率和元件尺寸等因素。較低的頻率可以降低開關(guān)損耗，提高效率，但需要較大尺寸的電感；較高的頻率則可以減小電感尺寸，但會增加開關(guān)損耗。LT3757/LT3757A 可以通過 RT 引腳的電阻在 50kHz 到 1MHz 范圍內(nèi)編程工作頻率，并且可以與外部時鐘同步。在使用同步功能時，需要選擇合適的 RT 電阻，使編程的開關(guān)頻率比 SYNC 脈沖頻率慢 20%。

（四）占空比考慮

開關(guān)占空比是影響轉(zhuǎn)換器性能的關(guān)鍵參數(shù)。LT3757/LT3757A 具有最小導(dǎo)通時間和最小關(guān)斷時間（典型值均為 220ns），這決定了轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生的最小和最大開關(guān)占空比。在設(shè)計(jì)時，需要根據(jù)輸入輸出電壓和工作頻率等因素，合理選擇占空比，以確保轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行。

（五）輸出電壓編程

輸出電壓通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程。正輸出電壓和負(fù)輸出電壓的計(jì)算公式分別為 ( V{OUT, POSITIVE }=1.6 V cdotleft(1+frac{R 2}{R 1}right) ) 和 ( V{OUT,NEGATIVE }=- 0.8 V cdotleft(1+frac{R 2}{R 1}right) ) 。在選擇電阻 R1 和 R2 時，需要考慮 FBX 引腳的輸入電流對輸出電壓精度的影響，通常應(yīng)使正常工作時流入 FBX 引腳的電流引起的誤差小于 1%。

（六）軟啟動

LT3757/LT3757A 具有軟啟動功能，可在啟動或故障恢復(fù)期間限制峰值開關(guān)電流和輸出電壓過沖，保護(hù)外部元件和負(fù)載。軟啟動功能通過 SS 引腳實(shí)現(xiàn)，該引腳通過下拉 VC 引腳電壓來降低功率 MOSFET 電流，使輸出電容能夠逐漸充電到最終值。軟啟動時間由軟啟動電容的大小決定，計(jì)算公式為 ( T{SS}=C{SS} cdot frac{1.25 V}{10 mu A} ) 。

（七）FBX 頻率折返

當(dāng)輸出電壓在啟動或短路故障期間非常低時，為了將功率開關(guān)電流保持在電流限制范圍內(nèi)，開關(guān)調(diào)節(jié)器需要以低占空比運(yùn)行。由于最小導(dǎo)通時間的限制，在編程的開關(guān)頻率下，可能無法實(shí)現(xiàn)足夠低的占空比，導(dǎo)致開關(guān)電流不斷增加，超過編程的電流限制。為了避免這種情況，LT3757/LT3757A 具有頻率折返功能，當(dāng) FBX 電壓較低時，會降低開關(guān)頻率。在頻率折返期間，外部時鐘同步功能將被禁用，以防止對頻率降低操作產(chǎn)生干擾。

（八）熱關(guān)斷

當(dāng) LT3757/LT3757A 的管芯溫度達(dá)到 165°C（典型值）時，芯片將進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)閉功率開關(guān)，并觸發(fā)軟啟動操作。當(dāng)管芯溫度下降 5°C（標(biāo)稱值）時，芯片將重新啟用。

（九）環(huán)路補(bǔ)償

環(huán)路補(bǔ)償對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能至關(guān)重要。LT3757/LT3757A 采用電流模式控制，簡化了環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)。通常，通過在 VC 引腳和地之間連接一個串聯(lián)電阻 - 電容網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行補(bǔ)償。對于大多數(shù)應(yīng)用，電容值應(yīng)在 470pF 到 22nF 之間，電阻值應(yīng)在 5k 到 50k 之間。同時，還可以在 RC 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)一個小電容，以衰減輸出電壓紋波通過內(nèi)部誤差放大器在 VC 引腳上引起的電壓紋波，該并聯(lián)電容的值通常在 10pF 到 100pF 之間。在設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時，可以參考數(shù)據(jù)手冊中類似應(yīng)用的電路，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。

（十）SENSE 引腳編程

SENSE 引腳用于測量功率 MOSFET 電流，需要使用一個電流檢測電阻 RSENSE。在選擇 RSENSE 時，應(yīng)確保穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行期間的峰值電流檢測電壓 ( V_{SENSE(PEAK) } ) 低于 SENSE 電流限制閾值，并保留 20% 的余量。同時，為了減少 PCB 走線的寄生電感和電容對電流檢測信號的影響，應(yīng)使用 Kelvin 連接方式，并將芯片的地盡可能靠近 RSENSE 的地端。在某些應(yīng)用中，如果電流檢測信號存在較大且長時間的振鈴現(xiàn)象，可以添加一個小的 RC 濾波器進(jìn)行濾波，但需要注意添加電阻會影響 SENSE 電流限制閾值。

六、典型應(yīng)用案例

（一）3.3V 輸入，5V/10A 輸出升壓轉(zhuǎn)換器

該應(yīng)用使用 LT3757 構(gòu)建了一個高效的升壓轉(zhuǎn)換器。輸入電壓為 3.3V，輸出電壓為 5V，輸出電流可達(dá) 10A。通過合理選擇電感、功率 MOSFET、輸出二極管和電容等元件，實(shí)現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)換效率。從效率與輸出電流的曲線可以看出，在不同的輸出電流下，轉(zhuǎn)換器都能保持較高的效率，滿足了系統(tǒng)對功率轉(zhuǎn)換效率的要求。

（二）8V 至 16V 輸入，24V/2A 輸出升壓轉(zhuǎn)換器

此應(yīng)用適用于輸入電壓范圍較寬的場景。通過 LT3757 實(shí)現(xiàn)了將 8V 至 16V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為 24V 的穩(wěn)定輸出，輸出電流為 2A。該轉(zhuǎn)換器在不同輸入電壓下的效率曲線表明，其在整個輸入電壓范圍內(nèi)都能保持較好的性能。同時，負(fù)載階躍響應(yīng)測試顯示，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，輸出電壓能夠快速恢復(fù)穩(wěn)定，具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

（三）5.5V 至 36V 輸入，12V/2A 輸出 SEPIC 轉(zhuǎn)換器

SEPIC 轉(zhuǎn)換器允許輸入電壓高于、等于或低于輸出電壓，具有較大的靈活性。該應(yīng)用中，輸入電壓范圍為 5.5V 至 36V，輸出電壓為 12V，輸出電流為 2A。通過 LT3757A 實(shí)現(xiàn)的 SEPIC 轉(zhuǎn)換器，在不同輸入電壓下都能保持較高的效率。同時，負(fù)載階躍波形、啟動波形和輸出短路時的頻率折返波形等測試結(jié)果，展示了該轉(zhuǎn)換器在不同工況下的穩(wěn)定性能。

七、總結(jié)

LT3757/LT3757A 作為一款多功能的 DC/DC 控制器，具有寬輸入電壓范圍、單反饋引腳實(shí)現(xiàn)正負(fù)輸出電壓編程、電流模式控制、可編程工作頻率等眾多優(yōu)秀特性。它可以應(yīng)用于多種不同的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如升壓、反激、SEPIC 和反相轉(zhuǎn)換器等，滿足了不同應(yīng)用場景的需求。在設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮關(guān)斷和欠壓檢測、內(nèi)部穩(wěn)壓器旁路和操作、工作頻率和同步、占空比、輸出電壓編程、軟啟動、頻率折返、熱關(guān)斷、環(huán)路補(bǔ)償和 SENSE 引腳編程等方面的因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高性能。通過多個典型應(yīng)用案例可以看出，LT3757/LT3757A 在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出色，是電子工程師在電源設(shè)計(jì)中的一個優(yōu)秀選擇。

你在使用 LT3757/LT3757A 進(jìn)行設(shè)計(jì)時遇到過哪些問題呢？或者對于電源設(shè)計(jì)還有哪些疑問，歡迎在評論區(qū)留言交流。