ADI LTC3873：高性能DC/DC控制器的全面解析

引言

在電子工程師的日常設計中，DC/DC控制器是至關重要的組件，它直接影響著電源系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。ADI的LTC3873作為一款優(yōu)秀的DC/DC控制器，在眾多應用場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。本文將深入剖析LTC3873的特點、工作原理、應用信息以及相關設計要點，希望能為電子工程師們在實際設計中提供有價值的參考。

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一、LTC3873的特點

1. 多種拓撲支持

LTC3873是一款恒頻電流模式的DC/DC控制器，支持升壓（Boost）、反激（Flyback）和SEPIC等多種拓撲結構，適用于高輸入和輸出電壓的轉換應用。這使得它在不同的電源設計中具有廣泛的適用性。

2. 無電流檢測電阻技術

其No RSENSE檢測技術是一大亮點，該技術不僅提高了轉換效率，還增加了功率密度，同時降低了整體解決方案的成本。通過直接檢測功率MOSFET的電壓降來實現(xiàn)電流檢測，減少了外部元件的使用。

3. 高精度輸出電壓

提供±1.5%的輸出電壓精度，能夠滿足大多數(shù)對電壓精度要求較高的應用場景。在正常工作時，靜態(tài)電流僅為300μA，微功耗啟動時僅為55μA，具有較低的功耗。

4. 靈活的軟啟動功能

軟啟動可以通過外部電容進行編程，也可以使用內(nèi)部3.3ms的軟啟動功能。在啟動過程中，通過電壓斜坡限制 (V_{ITH}) ，避免了啟動時的電流沖擊。

5. 寬輸入電壓范圍

使用9.3V內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器，LTC3873可以通過電阻從高輸入電壓供電，也可以直接從9V或更低的低阻抗直流電壓供電，具有很強的適應性。

6. 低靜態(tài)電流和小封裝

正常工作時靜態(tài)電流低至300μA，并且提供低外形（1mm）ThinSOT和（0.75mm）2mm × 3mm DFN封裝，適合對空間和功耗要求較高的應用。

二、工作原理

1. 主控制回路

在正常工作時，振蕩器設置PWM鎖存器使功率MOSFET導通，電流比較器復位鎖存器使MOSFET關斷。誤差放大器將分壓后的輸出電壓與內(nèi)部1.2V參考電壓進行比較，輸出誤差信號到 (I{TH}) 引腳。 (I{TH}) 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， (V{FB}) 電壓相對于參考電壓下降，導致 (I{TH}) 引腳電壓上升，電流比較器在更高的峰值電感電流值時觸發(fā)，從而使平均電感電流上升，維持輸出電壓的穩(wěn)定。

2. 并聯(lián)穩(wěn)壓器

內(nèi)置的并聯(lián)穩(wěn)壓器將 (V_{CC}) 引腳的電壓限制在約9.3V，只要并聯(lián)穩(wěn)壓器的吸收電流不超過25mA。這使得LTC3873可以使用超過其絕對最大額定值的各種供電方案。

3. 啟動/關斷機制

LTC3873有兩種關斷機制： (V{CC}) 電源引腳電壓的欠壓鎖定（UVLO）和RUN/SS引腳的閾值控制。當 (V{CC}) 引腳電壓超過 (V{TURNON}) （標稱8.4V）時，LTC3873開始工作；當 (V{CC}) 電壓下降到 (V{TURNOFF}) （標稱4V）時，欠壓鎖定將使LTC3873關斷。RUN/SS引腳可以驅(qū)動到 (V{SHDN}) （標稱0.7V）以下，強制LTC3873進入關斷狀態(tài)。

4. 輕載操作

在非常輕的負載電流條件下， (I_{TH}) 引腳電壓接近0.85V的零電流水平。隨著負載電流進一步減小，電流比較器輸入的內(nèi)部偏移將確保電流比較器保持觸發(fā)狀態(tài)，調(diào)節(jié)器開始跳周期以維持調(diào)節(jié)，從而在輕負載下保持恒定頻率，降低輸出紋波、可聽噪聲和射頻干擾，同時提高輕負載效率。

5. 電流檢測

在開關導通期間，控制電路將電流檢測元件上的最大電壓降限制在不同的值，具體取決于IPRG引腳的連接方式。隨著占空比的增加，最大電流檢測電壓會相應降低。

三、應用信息

1. (V_{CC}) 偏置電源

(V{CC}) 引腳必須通過一個至少10μF的陶瓷或鉭電容旁路到GND引腳，以提供MOSFET柵極驅(qū)動器所需的高瞬態(tài)電流。LTC3873可以采用多種供電方案，如通過電阻連接輸入電壓和 (V{CC}) 引腳，或直接從輸入或輸出電壓供電。在某些情況下，還可以使用反激變壓器的偏置繞組提供偏置電源。

2. 斜率補償

LTC3873內(nèi)置了內(nèi)部斜率補償，以穩(wěn)定控制回路，防止次諧波振蕩。也可以通過從SW引腳注入斜坡電流到外部斜率補償電阻來增加斜率補償。不過，當使用 (R_{DS(ON)}) 檢測技術時，不建議添加外部斜率補償，因為SW引腳的振鈴會干擾微小的斜率補償電流。

3. 輸出電壓編程

輸出電壓通過電阻分壓器設置，公式為 (V{0}=1.2V cdot(1+frac{R2}{R1})) 。選擇R1和R2的電阻值時，應盡量大以減少從 (V{OUT}) 汲取的靜態(tài)電流導致的效率損失，但要確保當 (V{OUT}) 處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時， (V{FB}) 引腳的非零輸入電流引起的誤差小于1%。

4. 變壓器設計考慮

變壓器的規(guī)格和設計是成功應用LTC3873的關鍵部分。在選擇變壓器匝數(shù)比時，用戶有相對的自由度，可以根據(jù)應用需求選擇簡單的整數(shù)比，如1:1、2:1等。同時，要注意變壓器的漏感問題，可能需要使用“緩沖器”電路來避免MOSFET漏極節(jié)點的過壓擊穿。

5. 功率MOSFET選擇

功率MOSFET在LTC3873中起著重要作用，其參數(shù)包括漏源擊穿電壓 (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)}) 以及熱阻 (R{TH(JC)}) 和 (R{TH(JA)}) 。在不同的 (V_{DS}) 條件下，選擇合適的MOSFET可以提高效率。

6. 輸出和輸入電容器選擇

輸出電容器通常根據(jù)其等效串聯(lián)電阻（ESR）選擇，低ESR的陶瓷電容器常用于最小化輸出紋波。輸入電容器的選擇相對不太關鍵，但在某些情況下，如電池突然連接到轉換器輸入時，要注意避免固態(tài)鉭電容器的災難性故障。

7. 占空比考慮

LTC3873的最大占空比典型值為80%，在反激轉換器中可以防止變壓器磁芯飽和，在升壓轉換器中限制了最大升壓比或最大輸出電壓。在設計時，應避免極端占空比，以減少對大多數(shù)組件的電流應力。

8. 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。輸出二極管在開關關斷期間導通，其承受的峰值反向電壓等于調(diào)節(jié)器的輸出電壓。

四、典型應用

1. 5V輸出非隔離電信電源

適用于電信設備的電源供應，輸入電壓范圍為36V - 72V，輸出電壓為5V，最大電流為2A。

2. 9V - 15V輸入，12V輸出SEPIC轉換器

用于需要SEPIC拓撲的應用場景，輸入電壓范圍為9V - 15V，輸出電壓為12V，電流為2A。

3. 10W隔離電信轉換器

滿足隔離電源的需求，輸入電壓范圍為36V - 72V，輸出電壓為3.3V，電流為3A。

4. 工業(yè)應用非絕緣升壓轉換器

適用于工業(yè)領域，輸入電壓范圍為4.5V - 5.5V，輸出電壓為12V，電流為2A。

五、總結

LTC3873作為一款高性能的DC/DC控制器，具有多種優(yōu)秀的特性和廣泛的應用場景。在實際設計中，電子工程師需要根據(jù)具體的應用需求，合理選擇拓撲結構、元件參數(shù)，充分發(fā)揮LTC3873的優(yōu)勢，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設計。你在使用LTC3873的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。