LTC1772：高效降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，高效、穩(wěn)定且緊湊的電源解決方案至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一下Linear Technology公司的LTC1772恒頻電流模式降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，以及基于它的DC270演示板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

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一、DC270演示板概述

DC270演示板是一款采用LTC1772的降壓（buck）調(diào)節(jié)器。它全部使用表面貼裝元件，能在極小的電路板空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)用，非常適合由一到兩節(jié)鋰離子電池或三到六節(jié)鎳鎘電池供電的手機(jī)和其他便攜式電子產(chǎn)品。該演示板在輸入電源為4.2V時(shí)，能夠在2.5V輸出電壓下提供1A的電流。

二、性能參數(shù)

1. 輸入輸出參數(shù)

2. 其他性能參數(shù)

從這些參數(shù)中我們可以看出，LTC1772在輸入電壓范圍、輸出電壓精度和負(fù)載調(diào)節(jié)等方面都表現(xiàn)出色，能滿足大多數(shù)便攜式設(shè)備的電源需求。那么大家在實(shí)際應(yīng)用中，是否會(huì)根據(jù)這些參數(shù)來(lái)選擇合適的電源芯片呢？

三、工作原理

1. 整體架構(gòu)

LTC1772采用恒頻、脈寬調(diào)制、電流模式架構(gòu)。電流模式操作具有啟動(dòng)干凈、出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。它能在低至約2.2V的輸入電壓下工作，適合由低輸入電源或單節(jié)鋰離子電池供電的應(yīng)用。不過(guò)，外部MOSFET可能會(huì)限制最小輸入電壓，所以在選擇MOSFET時(shí)需要謹(jǐn)慎。

2. 詳細(xì)工作過(guò)程

在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，當(dāng)振蕩器設(shè)置鎖存器（RS1）時(shí)，外部P溝道功率MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)電流比較器（ICOMP）重置鎖存器時(shí)，MOSFET關(guān)斷。ICOMP重置RS鎖存器時(shí)的峰值電感電流由(I{TH}/RUN)引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器EAMP的輸出。連接在(V{OUT})和地之間的外部電阻分壓器使EAMP接收輸出反饋電壓(V{FB})。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，(V{FB})相對(duì)于0.8V參考電壓略有下降，導(dǎo)致(I_{TH}/RUN)電壓升高，直到平均電感電流與新的負(fù)載電流匹配。

3. 控制與保護(hù)機(jī)制

• 關(guān)機(jī)控制：將(I{TH}/RUN)引腳拉低可關(guān)閉主控制回路。釋放(I{TH}/RUN)引腳后，內(nèi)部0.5μA電流源對(duì)外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)充電。當(dāng)(I{TH}/RUN)引腳達(dá)到0.4V時(shí)，主控制回路啟用，(I{TH}/RUN)電壓升至約0.7V的零電流水平。隨著外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)充電，相應(yīng)的輸出電流跳閘水平隨之變化，實(shí)現(xiàn)正常操作。
• 過(guò)壓保護(hù)：比較器OVP可防止輸出電壓瞬態(tài)過(guò)沖超過(guò)目標(biāo)輸出電壓的7.5%，通過(guò)關(guān)閉P溝道功率MOSFET并保持關(guān)閉狀態(tài)，直到故障消除。
• 欠壓鎖定：為防止鋰離子電池深度放電，LTC1772內(nèi)置了欠壓鎖定電路。當(dāng)輸入電源電壓降至約2.2V以下時(shí)，欠壓鎖定功能關(guān)閉P溝道MOSFET和除欠壓檢測(cè)塊外的所有電路，欠壓檢測(cè)塊僅消耗幾微安電流。
• 短路保護(hù)：當(dāng)輸出短路到地時(shí)，振蕩器頻率降至約90kHz，使電感電流安全放電，防止電流失控。當(dāng)反饋電壓再次接近0.8V時(shí)，振蕩器頻率將逐漸恢復(fù)到設(shè)計(jì)速率。

這些控制和保護(hù)機(jī)制確保了LTC1772在各種復(fù)雜情況下都能穩(wěn)定可靠地工作，大家在設(shè)計(jì)電路時(shí)，是否充分考慮了這些保護(hù)機(jī)制的作用呢？

四、工作模式

1. 突發(fā)模式（Burst Mode）

在低負(fù)載電流時(shí)，LTC1772進(jìn)入突發(fā)模式操作。在這種模式下，即使(I{TH}/RUN)引腳電壓較低，電感的峰值電流也會(huì)被設(shè)置為好像(V{ITH}/RUN = 1V)（在低占空比時(shí)）。如果電感的平均電流大于負(fù)載需求，(I{TH}/RUN)引腳的電壓將下降。當(dāng)(I{TH}/RUN)電壓低于0.85V時(shí)，睡眠信號(hào)變高，關(guān)閉外部MOSFET；當(dāng)(I_{TH}/RUN)電壓高于0.925V時(shí)，睡眠信號(hào)變低，LTC1772恢復(fù)正常操作，下一個(gè)振蕩器周期將再次開(kāi)啟外部MOSFET，開(kāi)關(guān)周期重復(fù)。

2. 效率與負(fù)載電流關(guān)系

從效率與負(fù)載電流的典型特性曲線可以看出，在不同的輸入電壓下，LTC1772的效率隨著負(fù)載電流的變化而變化。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)負(fù)載電流的大小來(lái)選擇合適的工作模式，以提高電源的效率。那么大家在實(shí)際應(yīng)用中，是如何根據(jù)負(fù)載電流來(lái)優(yōu)化電源效率的呢？

五、輸出電壓設(shè)置

在演示電路中，輸出電壓設(shè)置為2.5V。若需要其他輸出電壓，可以移除組件(R{F1} = 174k)，并使用以下公式計(jì)算替換電阻的值： [R{F1} = 80.6kleft(frac{V_{OUT}}{0.8} - 1right)]

需要注意的是，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)低于0.8V的輸出電壓。此外，較高的輸出電壓可能需要更換輸出電容，因?yàn)榘惭b的輸出電容額定電壓為6V。

六、測(cè)量與測(cè)試

1. 電壓調(diào)節(jié)測(cè)量

測(cè)量電壓調(diào)節(jié)時(shí)，所有測(cè)量必須在調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，即LTC1772控制回路獲取信息以保持輸出電壓恒定的點(diǎn)，該信息出現(xiàn)在LTC1772的引腳3和引腳2之間。對(duì)于高于0.8V的輸出電壓，引腳3的電壓可以通過(guò)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)。測(cè)試引線應(yīng)連接到演示板的輸出端子，負(fù)載應(yīng)盡可能靠近這些端子連接。在進(jìn)行線路調(diào)節(jié)測(cè)試時(shí)，應(yīng)始終觀察輸入端子兩端的輸入電壓。為了確保測(cè)試的準(zhǔn)確性，演示電路應(yīng)使用穩(wěn)壓直流工作臺(tái)電源供電，以避免直流輸入的額外變化對(duì)調(diào)節(jié)測(cè)量產(chǎn)生誤差。

2. 瞬態(tài)響應(yīng)檢查

開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器需要幾個(gè)周期來(lái)響應(yīng)直流負(fù)載電流的階躍變化。當(dāng)負(fù)載階躍發(fā)生時(shí)，(V{OUT})的變化量等于((Delta I{LOAD})(ESR))，其中ESR是輸出電容(C{OUT})的有效串聯(lián)電阻。(Delta I{LOAD})也開(kāi)始對(duì)(C{OUT})進(jìn)行充電或放電，直到調(diào)節(jié)器回路適應(yīng)電流變化并將(V{OUT})恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。在恢復(fù)期間，可以監(jiān)測(cè)(V_{OUT})是否存在過(guò)沖或振鈴現(xiàn)象，這可能表示存在穩(wěn)定性問(wèn)題。圖1中所示的外部組件對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是足夠的。

七、組件選擇

1. 電容器

在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中，電容器的選擇非常關(guān)鍵。在本電路中，(C{IN})和(C{01})是低ESR、高紋波電流的電容器。ESR（等效串聯(lián)電阻）是電容器中的寄生串聯(lián)電阻，通常是降低電源輸出或輸入紋波的限制因素。本電路中使用的電容器是專門為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的。此外，有機(jī)半導(dǎo)體類型（OS - CON）電容器也是一種選擇，它們具有非常低的ESR，且尺寸約為等效濕式電解電容器的一半。

2. 功率MOSFET

由于LTC1772設(shè)計(jì)用于低至約2.2V的輸入電壓，對(duì)于接近該電壓工作的應(yīng)用，需要使用亞邏輯閾值MOSFET（(R{DS(ON)})在(V{GS} = 2.5V)時(shí)得到保證）。使用這些MOSFET時(shí)，要確保LTC1772的輸入電源小于絕對(duì)最大(V_{GS})額定值，通常為8V。

3. 電感器

演示板中使用的電感器來(lái)自Coilcraft，但市場(chǎng)上還有許多其他制造商提供的電感器可供選擇。只要電感器能夠支持輸出直流電流并保持其電感值，就可以在本電路中使用。不同的電感器設(shè)計(jì)具有不同的物理尺寸、損耗特性和雜散場(chǎng)模式。因此，如果使用替代電感器，需要重新對(duì)電路進(jìn)行效率表征。建議與表1中的一些電感器制造商聯(lián)系，討論具體需求，通?？梢哉业綕M足需求的標(biāo)準(zhǔn)、低成本解決方案。

4. 感測(cè)電阻

組件列表中指定的電流感測(cè)電阻由International Resistive Company制造，也可以從Dale獲得替代電阻。

5. 肖特基二極管

續(xù)流二極管D1在關(guān)斷期間承載負(fù)載電流，其平均電流取決于P溝道開(kāi)關(guān)的占空比。在高輸入電壓下，二極管大部分時(shí)間導(dǎo)通；當(dāng)(V{IN})接近(V{OUT})時(shí)，二極管僅在一小部分時(shí)間導(dǎo)通。二極管最惡劣的工作條件是輸出短路，此時(shí)二極管必須在接近100%的占空比下安全處理(I_{PEAK})。高速開(kāi)關(guān)二極管可以優(yōu)化效率，肖特基二極管由于其低正向壓降和快速開(kāi)關(guān)時(shí)間，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

八、總結(jié)

LTC1772恒頻電流模式降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器以其高效、穩(wěn)定和緊湊的特點(diǎn)，為便攜式電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的解決方案。通過(guò)合理選擇組件和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，我們可以充分發(fā)揮LTC1772的性能優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體需求進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，以確保電源系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。大家在使用LTC1772進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否遇到過(guò)一些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。

附件：組件制造商列表

1. 電感器制造商

2. 電容器制造商