探索LTC3537：高效同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器與LDO的完美結(jié)合

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高效、穩(wěn)定且小巧的電源解決方案一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天，我們就來深入探討Linear Technology公司的LTC3537，一款集高性能升壓轉(zhuǎn)換器和低噪聲LDO于一體的電源管理芯片。

文件下載：LTC3537.pdf

產(chǎn)品概述

LTC3537將一個高效的2.2MHz同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器與一個獨(dú)立的100mA低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）集成在一個16引腳的3mm×3mm QFN封裝中。這種緊湊的設(shè)計使得它非常適合空間受限的應(yīng)用，如無線麥克風(fēng)、便攜式醫(yī)療儀器、降噪/便攜式耳機(jī)等。

主要特性

• 寬輸入輸出電壓范圍：升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0.68V至5V，輸出電壓范圍為1.5V至5.25V；LDO的輸入電壓范圍為1.8V至5.5V，輸出電壓范圍為0.6V至5V。
• 2.2MHz固定頻率操作：高頻操作允許使用小型、低剖面的電感器和陶瓷電容器，從而減小解決方案的尺寸。
• 同步整流與輸出斷開功能：同步整流提高了效率，而輸出斷開功能則允許在關(guān)機(jī)時將輸出與輸入斷開，減少功耗。
• 突發(fā)模式操作：可通過引腳選擇，在輕負(fù)載時自動進(jìn)入突發(fā)模式，以提高效率，降低靜態(tài)電流至僅30μA。
• 電源良好指示與低電池比較器：方便系統(tǒng)監(jiān)控電源狀態(tài)和電池電量。

工作原理

升壓轉(zhuǎn)換器

LTC3537的升壓轉(zhuǎn)換器采用固定頻率、電流模式PWM控制，具有自適應(yīng)斜率補(bǔ)償功能，能夠提供出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。內(nèi)部軟啟動和環(huán)路補(bǔ)償簡化了設(shè)計過程，減少了外部組件的數(shù)量。

低電壓啟動

升壓轉(zhuǎn)換器包含一個獨(dú)立的啟動振蕩器，可在低至0.68V的輸入電壓下啟動。啟動時提供軟啟動和浪涌電流限制，當(dāng)輸入或輸出電壓超過1.4V時，IC進(jìn)入正常工作模式。

低噪聲固定頻率操作

• 軟啟動：內(nèi)部軟啟動電路在約0.5ms內(nèi)將峰值電感電流從零緩慢升至750mA，允許在重載下啟動。
• 振蕩器：內(nèi)部振蕩器將開關(guān)頻率設(shè)置為2.2MHz。
• 關(guān)機(jī)：通過將ENBST引腳拉低至0.3V以下可實(shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)機(jī)，拉高至0.8V以上則啟用。

電流控制與保護(hù)

• 電流感應(yīng)：無損電流感應(yīng)將N溝道MOSFET開關(guān)的峰值電流信號轉(zhuǎn)換為電壓，并與內(nèi)部斜率補(bǔ)償信號相加，以實(shí)現(xiàn)峰值電流控制。
• 電流限制：電流限制比較器在達(dá)到閾值時關(guān)閉N溝道MOSFET開關(guān)，峰值開關(guān)電流限制在約750mA。
• 零電流比較器：監(jiān)測電感電流，當(dāng)電流降至約30mA時關(guān)閉同步整流器，防止電感電流反向，提高輕負(fù)載效率。
• 同步整流：P溝道MOSFET同步整流器僅在輸出電壓大于輸入電壓0.24V時啟用，以控制浪涌電流。
• 抗振鈴控制：在不連續(xù)電流模式下，抗振鈴控制在電感兩端連接一個電阻，防止SW引腳出現(xiàn)高頻振鈴，減少EMI輻射。
• 輸出斷開：通過消除內(nèi)部P溝道MOSFET同步整流器的體二極管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)真正的輸出斷開，允許輸出在關(guān)機(jī)時降至零伏，減少輸入電源的電流消耗。
• 熱過載保護(hù)：當(dāng)芯片溫度超過160°C時，升壓轉(zhuǎn)換器將關(guān)機(jī)，所有開關(guān)關(guān)閉，軟啟動電容放電。當(dāng)溫度下降約15°C時，轉(zhuǎn)換器重新啟用。

突發(fā)模式操作

當(dāng)MODE引腳為高電平時，LTC3537在輕負(fù)載時自動進(jìn)入突發(fā)模式，負(fù)載增加時返回固定頻率PWM模式。突發(fā)模式下，芯片仍以2.2MHz的固定頻率開關(guān)，通過最小化開關(guān)和靜態(tài)損耗來提高輕負(fù)載效率。

LDO穩(wěn)壓器

LTC3537的LDO穩(wěn)壓器提供非常低的噪聲、可編程的低壓差電源。

關(guān)機(jī)

通過將ENLDO引腳拉低至0.3V以下可實(shí)現(xiàn)LDO的關(guān)機(jī)，拉高至0.8V以上則啟用。在輸出電壓高于輸入電壓時，LDO將進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，直到輸出電壓降至輸入電壓以下。

誤差放大器與輸出電壓編程

LDO的跨導(dǎo)誤差放大器的同相輸入連接到0.6V參考電壓，反相輸入連接到FBL引腳。通過外部電阻分壓器可將輸出電壓從0.6V編程到5V。

電流感應(yīng)與限制

電流通過內(nèi)部電阻進(jìn)行感應(yīng)，保證最小輸出電流為100mA。

低電池指示器與電源良好指示器

• 低電池指示器：比較器的同相輸入連接到0.58V參考電壓，反相輸入連接到LBI引腳。當(dāng)LBI引腳電壓低于0.58V時，開漏N溝道MOSFET導(dǎo)通。
• 升壓電源良好指示器：比較器的同相輸入連接到1.08V參考電壓，反相輸入連接到FBB引腳。當(dāng)輸出電壓在編程輸出電壓的6%以內(nèi)時，PGDB引腳的開漏MOSFET關(guān)閉。
• LDO電源良好指示器：比較器的同相輸入連接到540mV參考電壓，反相輸入連接到FBL引腳。當(dāng)輸出電壓在編程輸出電壓的4%以內(nèi)時，PGDL引腳的開漏MOSFET關(guān)閉。

應(yīng)用信息

(V{INB }>V{OUTB }) 操作

LTC3537的升壓轉(zhuǎn)換器即使在輸入電壓高于所需輸出電壓時也能保持電壓調(diào)節(jié)，但此模式下效率較低，最大輸出電流能力也會降低。

升壓短路保護(hù)

輸出斷開功能提供輸出短路保護(hù)，在短路情況下，峰值開關(guān)電流限制降低至約400mA，以減少功耗。

肖特基二極管

雖然不是必需的，但在SW引腳和VOUTB引腳之間添加一個肖特基二極管可將效率提高約4%，但會破壞輸出斷開和短路保護(hù)功能。

PCB布局指南

由于LTC3537的高速操作，PCB布局需要特別注意。建議使用大面積的接地銅區(qū)域，以降低芯片溫度。多層板和獨(dú)立的接地平面是理想的選擇，但不是必需的。

組件選擇

電感器選擇

LTC3537的快速2.2MHz開關(guān)頻率允許使用小型表面貼裝芯片電感器。電感值在1μH至4.7μH之間適用于大多數(shù)應(yīng)用。較大的電感值可通過減少電感紋波電流來提高輸出電流能力，并降低突發(fā)模式閾值。建議使用高頻鐵氧體磁芯電感器，以減少頻率相關(guān)的功率損耗，提高效率。

輸出和輸入電容器選擇

為了最小化輸出電壓紋波，應(yīng)使用低ESR的電容器。多層陶瓷電容器是一個很好的選擇，因?yàn)樗鼈兙哂袠O低的ESR和小尺寸。對于升壓轉(zhuǎn)換器，4.7μF至10μF的輸出電容器適用于大多數(shù)應(yīng)用；對于LDO，建議使用1μF或更大的輸出電容器。

典型應(yīng)用

文檔中給出了多個典型應(yīng)用電路，包括單節(jié)電池升壓到1.8V、1.5V，單節(jié)電池升壓到3.3V、2.8V，雙節(jié)電池升壓到低噪聲3.3V，雙節(jié)電池升壓到5V、1.8V，鋰離子電池升壓到5V、3.3V，單節(jié)電池或5V輸入升壓到3.3V等。這些應(yīng)用電路展示了LTC3537在不同電源和輸出要求下的靈活性和實(shí)用性。

總結(jié)

LTC3537是一款功能強(qiáng)大、性能出色的電源管理芯片，它結(jié)合了高效的升壓轉(zhuǎn)換器和低噪聲的LDO穩(wěn)壓器，適用于各種便攜式和空間受限的應(yīng)用。通過合理的組件選擇和PCB布局，工程師們可以充分發(fā)揮LTC3537的優(yōu)勢，為他們的設(shè)計提供穩(wěn)定、高效的電源解決方案。你在使用LTC3537或其他類似芯片時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。