LTC3429/LTC3429B：高性能同步升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)備小型化和低功耗的趨勢(shì)下，高效的電源管理芯片顯得尤為重要。LTC3429/LTC3429B 作為一款 600mA、500kHz 的微功耗同步升壓轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的性能和豐富的特性，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。本文將深入探討 LTC3429/LTC3429B 的特性、工作原理、應(yīng)用電路以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

文件下載：LTC3429.pdf

產(chǎn)品特性

高效轉(zhuǎn)換

LTC3429/LTC3429B 具有高達(dá) 96%的轉(zhuǎn)換效率，能夠有效減少能量損耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。這對(duì)于便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ蕾囯姵毓╇?，高效的轉(zhuǎn)換效率可以顯著提高設(shè)備的使用時(shí)間。

輸出負(fù)載斷開(kāi)

該芯片具備真正的輸出負(fù)載斷開(kāi)功能，在關(guān)機(jī)時(shí)可使輸出電壓降至零，避免從輸入源汲取電流。這一特性不僅有助于降低功耗，還能在設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)保護(hù)電路。

浪涌電流限制和軟啟動(dòng)

芯片內(nèi)置浪涌電流限制和內(nèi)部軟啟動(dòng)功能，能夠在啟動(dòng)時(shí)限制浪涌電流，減少對(duì)輸入電源的沖擊，保護(hù)電源和其他電路元件。

低電壓?jiǎn)?dòng)

支持低至 0.85V 的啟動(dòng)電壓，使得該芯片可以在電池電量較低的情況下正常啟動(dòng)，提高了設(shè)備的可靠性和適應(yīng)性。

自動(dòng)突發(fā)模式

LTC3429 具備自動(dòng)突發(fā)模式（Burst Mode），在輕負(fù)載時(shí)可自動(dòng)切換到該模式，此時(shí)靜態(tài)電流僅約 20μA，有效降低功耗。而 LTC3429B 則在輕負(fù)載時(shí)采用連續(xù)開(kāi)關(guān)模式。

其他特性

還具有內(nèi)部同步整流、電流模式控制、短路保護(hù)、500kHz 固定頻率開(kāi)關(guān)、抗振鈴控制以降低 EMI、小巧的外部元件和低剖面（1mm）SOT - 23 封裝等特性，這些特性使得芯片在性能和體積上都具有優(yōu)勢(shì)。

工作原理

低壓?jiǎn)?dòng)

LTC3429/LTC3429B 包含一個(gè)獨(dú)立的啟動(dòng)振蕩器，通常在輸入電壓為 0.85V 時(shí)啟動(dòng)。啟動(dòng)振蕩器的頻率和占空比分別內(nèi)部設(shè)定為 150kHz 和 67%，此時(shí) IC 完全開(kāi)環(huán)運(yùn)行，電流限制也內(nèi)部設(shè)定為 850mA。當(dāng)輸出電壓超過(guò) 2.3V 時(shí)，啟動(dòng)電路禁用，進(jìn)入正常閉環(huán) PWM 操作。在正常模式下，芯片從 VOUT 供電，允許電池電壓降至 0.5V 而不影響電路運(yùn)行。

軟啟動(dòng)

通過(guò)一個(gè)非常弱的電流源對(duì)內(nèi)部電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。電容上的電壓會(huì)將電感峰值電流從零緩慢提升至最大值 850mA，軟啟動(dòng)時(shí)間通常為 2.5ms，但會(huì)隨負(fù)載電流、輸出電壓和輸入電壓而變化。在關(guān)機(jī)或熱關(guān)斷時(shí)，軟啟動(dòng)電容會(huì)完全放電；輸出短路時(shí)，電容部分放電。

低噪聲固定頻率操作

• 振蕩器：工作頻率內(nèi)部設(shè)定為 500kHz。
• 誤差放大器：是一個(gè)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)目鐚?dǎo)型（電流輸出）放大器，跨導(dǎo) (g{m}=33) 微西門(mén)子。將內(nèi)部 1.23V 參考電壓與 FB 引腳電壓比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)。通過(guò)從 VOUT 到地的分壓器，可將輸出電壓從 2.5V 調(diào)整到 5V，公式為 (V{OUT }=1.23 V cdot[1+(R 1 / R 2)])。
• 電流傳感：采用無(wú)損電流傳感將 NMOS 開(kāi)關(guān)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，與內(nèi)部斜率補(bǔ)償信號(hào)相加，再與誤差放大器輸出比較，實(shí)現(xiàn)峰值電流控制。開(kāi)關(guān)電流信號(hào)會(huì)被消隱 60ns 以增強(qiáng)抗噪能力，峰值開(kāi)關(guān)電流限制約為 850mA，與輸入或輸出電壓無(wú)關(guān)。
• 零電流比較器：監(jiān)測(cè)流向輸出的電感電流，當(dāng)電流降至約 27mA 時(shí)，關(guān)閉同步整流器，防止電感電流極性反轉(zhuǎn)，提高輕負(fù)載效率。
• 抗振鈴控制：在不連續(xù)模式下，當(dāng)電感電流為零時(shí)，抗振鈴控制電路通過(guò)在電感兩端放置一個(gè) 150Ω 電阻，防止 SW 引腳高頻振鈴，抑制 L 和 (C_{SW}) 形成的諧振電路。
• 同步整流器：僅當(dāng) (V{OUT }>(V{IN}+0.1 ~V)) 且 FB 引腳電壓 >0.8V 時(shí)，PMOS 同步整流器才會(huì)啟用，防止電感電流失控。

熱關(guān)斷

內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)器在管芯溫度超過(guò) 125°C 時(shí)開(kāi)始降低峰值電流限制。若溫度繼續(xù)上升至 160°C，芯片進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，所有開(kāi)關(guān)關(guān)閉，軟啟動(dòng)電容復(fù)位。當(dāng)管芯溫度下降約 15°C 時(shí)，芯片重新啟用。

突發(fā)模式操作（LTC3429 專用）

當(dāng)輸出負(fù)載電流低于內(nèi)部編程閾值時(shí)，LTC3429 進(jìn)入突發(fā)模式。該閾值與轉(zhuǎn)換器占空比和外部電感值成反比。進(jìn)入突發(fā)模式后，僅保持監(jiān)測(cè)輸出所需的電路工作，其余部分關(guān)閉，此時(shí) IC 僅從輸出電容汲取 20μA 電流。當(dāng)輸出電壓從標(biāo)稱值下降約 1%時(shí)，芯片喚醒并恢復(fù)正常 PWM 操作。負(fù)載電流越低，芯片開(kāi)啟頻率越低；負(fù)載電流超過(guò)閾值時(shí)，無(wú)縫恢復(fù)連續(xù) PWM 操作。突發(fā)模式可通過(guò)在 Vout 和 FB 引腳之間放置小的相位超前電容（CPL）來(lái)降低輸出紋波，但可能會(huì)影響輕負(fù)載效率和靜態(tài)電流要求。

輸出斷開(kāi)和浪涌限制

芯片通過(guò)消除內(nèi)部 PMOS 整流器的體二極管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)真正的輸出斷開(kāi)，使 VOUT 在關(guān)機(jī)時(shí)降至零，避免從輸入源汲取電流，同時(shí)在啟動(dòng)時(shí)限制浪涌電流。要實(shí)現(xiàn)輸出斷開(kāi)，SWITCH 引腳和 Vout 之間不能連接外部肖特基二極管。

短路保護(hù)

LTC3429/LTC3429B 具有輸出短路保護(hù)功能。短路時(shí)，內(nèi)部軟啟動(dòng)電容部分放電，最大電流限制回折到較小值。若管芯溫度超過(guò) 125°C，熱調(diào)節(jié)電路會(huì)進(jìn)一步降低電流限制；若溫度達(dá)到 160°C，芯片完全關(guān)閉。

(V{IN }>V{OUT }) 操作

即使輸入電壓高于輸出電壓，芯片仍能維持電壓調(diào)節(jié)。通過(guò)終止同步 PMOS 的開(kāi)關(guān)操作，并將 VIN 靜態(tài)施加到其柵極，確保電感電流在流向輸出時(shí)斜率反轉(zhuǎn)。但在此模式下，PMOS 不再作為低阻抗開(kāi)關(guān)，IC 內(nèi)部功耗增加，效率會(huì)急劇下降，因此需限制最大輸出電流以維持可接受的結(jié)溫。

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

PCB 布局指南

由于 LTC3429/LTC3429B 高速運(yùn)行，PCB 布局至關(guān)重要。建議采用大面積接地銅區(qū)降低芯片溫度，多層板并帶有獨(dú)立接地平面是理想選擇，但并非必需。應(yīng)將輸出濾波電容盡可能靠近 VOUT 引腳，并使用低 ESR/ESL 陶瓷電容連接到良好的接地平面。對(duì)于 (Vout) 超過(guò) 4.3V 的應(yīng)用，需添加肖特基二極管或緩沖網(wǎng)絡(luò)以限制 SWITCH 引腳峰值電壓，且二極管應(yīng)靠近引腳放置以減少雜散電感。

元件選擇

• 電感選擇：芯片的 500kHz 快速開(kāi)關(guān)頻率允許使用小型表面貼裝和芯片電感。大多數(shù)應(yīng)用推薦使用 4.7μH 電感，較大電感值可通過(guò)降低電感紋波電流提高輸出電流能力，但超過(guò) 10μH 時(shí)，電感尺寸增大，輸出電流能力提升有限。電感電流紋波通常設(shè)置為最大電感電流（IP）的 20% - 40%，應(yīng)選擇高頻鐵氧體磁芯電感材料以降低頻率相關(guān)功率損耗，電感需具有低 ESR 以減少 (I^{2} R) 功率損耗，并能承受峰值電感電流而不飽和。為減少輻射噪聲，建議使用環(huán)形、罐形或屏蔽線軸電感。
• 輸出和輸入電容選擇：為最小化輸出電壓紋波，應(yīng)使用低 ESR 電容，多層陶瓷電容是理想選擇，其 ESR 極低且占用空間小。大多數(shù)應(yīng)用使用 4.7μF - 15μF 輸出電容即可，若需極低輸出電壓紋波和改善瞬態(tài)響應(yīng)，可使用更大值電容（最大 22μF）。對(duì)于大于 10μF 的輸出電容，可能需要額外的相位超前電容以保持可接受的相位裕度。X5R 和 X7R 電介質(zhì)材料因其在寬電壓和溫度范圍內(nèi)保持電容值的能力而被優(yōu)先選擇。低 ESR 輸入電容可減少輸入開(kāi)關(guān)噪聲和電池汲取的峰值電流，陶瓷電容也是輸入去耦的良好選擇，應(yīng)盡可能靠近芯片放置，10μF 輸入電容適用于大多數(shù)應(yīng)用，可使用更大值電容而無(wú)限制。

典型應(yīng)用電路

單節(jié) AA 電池升壓

可將單節(jié) AA 電池升壓至 2.5V 或 3.3V，分別為不同的負(fù)載提供穩(wěn)定電源。電路中使用 4.7μH 電感、4.7μF 輸入電容和 10μF 輸出電容，通過(guò)合適的電阻分壓器設(shè)置輸出電壓。

(V_{OUT }>4.3 ~V) 應(yīng)用

當(dāng)輸出電壓高于 4.3V 時(shí)，需添加肖特基二極管或緩沖網(wǎng)絡(luò)。若需要浪涌電流限制和輸出斷開(kāi)功能，可采用特定的有源緩沖網(wǎng)絡(luò)；若不需要這些功能，可直接在 SW 和 VOUT 之間連接肖特基二極管。

相關(guān)產(chǎn)品對(duì)比

與其他類(lèi)似的升壓轉(zhuǎn)換器相比，LTC3429/LTC3429B 在效率、啟動(dòng)電壓、輸出電流等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。例如，與 LT1613 相比，LTC3429/LTC3429B 的啟動(dòng)電壓更低，更適合低電壓應(yīng)用場(chǎng)景；與 LTC3400/LTC3400B 相比，雖然輸出電流能力相當(dāng)，但 LTC3429/LTC3429B 的靜態(tài)電流更低，在輕負(fù)載時(shí)功耗更小。

總結(jié)

LTC3429/LTC3429B 是一款性能卓越的同步升壓轉(zhuǎn)換器，具有高效轉(zhuǎn)換、輸出負(fù)載斷開(kāi)、浪涌電流限制等多種特性，適用于 MP3 播放器、數(shù)碼相機(jī)、LCD 偏置電源等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇元件并優(yōu)化 PCB 布局，以充分發(fā)揮芯片的性能優(yōu)勢(shì)。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似芯片的設(shè)計(jì)難題呢？不妨在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和問(wèn)題。