深入剖析LM2733：高性能升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入了解一下德州儀器（TI）的LM2733升壓轉(zhuǎn)換器，探討它的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、LM2733概述

LM2733是一款采用SOT - 23封裝的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，它有1.6 MHz（“X”選項(xiàng)）和600 kHz（“Y”選項(xiàng)）兩種固定頻率的電流模式升壓轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部集成了40 - V的DMOS FET開(kāi)關(guān)，具有低(R_{DS(ON)})、寬輸入電壓范圍（2.7 V至14 V）、低關(guān)斷電流（<1 μA）等特點(diǎn)，能夠使用小型電容和電感，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高的功率密度。

1.1 主要特性

• 高頻開(kāi)關(guān)：提供1.6 MHz和0.6 MHz兩種開(kāi)關(guān)頻率，可根據(jù)應(yīng)用需求靈活選擇。
• 低導(dǎo)通電阻：低(R_{DS(ON)})的DMOS FET開(kāi)關(guān)，可降低導(dǎo)通損耗，提高效率。
• 大電流能力：開(kāi)關(guān)電流最大可達(dá)1 A，能滿足多種負(fù)載需求。
• 寬輸入電壓范圍：2.7 V至14 V的輸入電壓范圍，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 低關(guān)斷電流：關(guān)斷電流小于1 μA，可有效延長(zhǎng)電池壽命。
• 小封裝：采用5引腳的SOT - 23封裝，節(jié)省電路板空間。
• 保護(hù)功能：具備逐周期電流限制和熱關(guān)斷保護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性。
• 內(nèi)部補(bǔ)償：內(nèi)部補(bǔ)償簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減少了外部元件數(shù)量。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

LM2733適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如白色LED電流源、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）和掌上電腦、數(shù)碼相機(jī)、便攜式電話和游戲設(shè)備以及本地升壓調(diào)節(jié)器等。

二、LM2733的詳細(xì)規(guī)格

2.1 絕對(duì)最大額定值

2.2 ESD額定值

• 人體模型（HBM）：±2000 V
• 機(jī)器模型：±200 V

2.3 推薦工作條件

2.4 熱信息

2.5 電氣特性

2.6 典型特性

文檔中給出了多個(gè)典型特性曲線，如靜態(tài)電流與溫度的關(guān)系、振蕩器頻率與溫度的關(guān)系、最大占空比與溫度的關(guān)系以及效率與負(fù)載電流的關(guān)系等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解LM2733在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。

三、LM2733的工作原理

3.1 電流模式控制

LM2733采用電流模式控制，通過(guò)與開(kāi)關(guān)FET串聯(lián)的50 mΩ感測(cè)電阻，將與FET電流成比例的電壓提供給脈沖寬度調(diào)制（PWM）比較器和電流限制放大器的輸入。在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，S - R鎖存器打開(kāi)FET。隨著FET電流的增加，與電流成比例的電壓與斜坡發(fā)生器的斜坡電壓相加后輸入到PWM比較器。當(dāng)該電壓超過(guò)Gm放大器的輸出電壓時(shí)，鎖存器復(fù)位，關(guān)閉FET。由于Gm放大器的信號(hào)來(lái)自反饋（采樣輸出電壓），PWM比較器會(huì)不斷調(diào)整FET的峰值電流，以保持輸出電壓穩(wěn)定。

3.2 電流限制保護(hù)

電流限制比較器直接連接到驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)FET的觸發(fā)器。當(dāng)FET電流達(dá)到限制閾值時(shí)，F(xiàn)ET關(guān)閉，周期終止，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖。無(wú)論P(yáng)WM比較器的輸出狀態(tài)如何，電流限制輸入都會(huì)終止脈沖。

3.3 帶隙電壓參考

Q1和Q2以及R3 - R6構(gòu)成帶隙電壓參考，用于保持輸出電壓穩(wěn)定。Q1和Q2中的電流相等，反饋環(huán)路會(huì)調(diào)整輸出電壓以維持這種平衡。因此，調(diào)節(jié)后的輸出電壓始終保持在與FB節(jié)點(diǎn)電壓成比例的水平，比例由輸出電阻分壓器決定。

四、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 典型應(yīng)用電路

文檔中給出了基本應(yīng)用電路，通過(guò)合理選擇外部元件，可以實(shí)現(xiàn)不同的輸出電壓和負(fù)載電流。

4.2 設(shè)計(jì)要求

4.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

4.3.1 選擇外部電容

• 輸出電容：對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，4.7 μF至10 μF的單個(gè)陶瓷電容即可提供足夠的輸出電容。對(duì)于輸出電壓低于10 V的情況，需要10 μF的電容。如果需要更大的電容來(lái)改善線路支持和瞬態(tài)響應(yīng)，可以并聯(lián)鉭電容。鋁電解電容由于在高頻下的自熱和紋波電流問(wèn)題，通常不適合用于開(kāi)關(guān)頻率高于500 kHz的應(yīng)用。
• 輸入電容：輸入電容作為每次開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)流入線圈的電流的能量?jī)?chǔ)存器，需要具有極低的ESR，因此陶瓷電容是最佳選擇。TI推薦標(biāo)稱值為2.2 μF的電容，但也可以使用更大的值。
• 前饋補(bǔ)償電容：雖然LM2733內(nèi)部有補(bǔ)償，但前饋電容Cf對(duì)于穩(wěn)定性是必需的。推薦的零點(diǎn)頻率(f_z)約為8 kHz，Cf可以通過(guò)公式(Cf = 1 / (2 × π × R1 × f_z))計(jì)算。

4.3.2 選擇二極管

外部二極管應(yīng)選用肖特基二極管。根據(jù)開(kāi)關(guān)電壓的不同，推薦選擇不同耐壓的二極管：開(kāi)關(guān)電壓小于15 V時(shí)，推薦使用20 - V的二極管（如MBR0520）；開(kāi)關(guān)電壓在15 V至25 V之間時(shí)，推薦使用30 - V的二極管（如MBR0530）；開(kāi)關(guān)電壓超過(guò)25 V時(shí)，推薦使用40 - V的二極管（如MBR0540）。對(duì)于平均電流超過(guò)0.5 A但小于1 A的應(yīng)用，可以使用Microsemi UPS5817。

4.3.3 設(shè)置輸出電壓

輸出電壓通過(guò)外部電阻R1和R2設(shè)置。推薦R2的值約為13.3 kΩ，以建立約92 μA的分壓器電流。R1可以通過(guò)公式(R1 = R2 × (V_{OUT} / 1.23 - 1))計(jì)算。

4.3.4 選擇開(kāi)關(guān)頻率

LM2733提供1.6 MHz和600 kHz兩種固定頻率選項(xiàng)。較高的開(kāi)關(guān)頻率可以使電感和電容更小、更便宜，但效率會(huì)略有降低，并且電磁干擾（EMI）通常會(huì)更嚴(yán)重。因此，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求權(quán)衡選擇。

4.3.5 計(jì)算占空比

占空比計(jì)算公式為(Duty Cycle = frac{V{OUT} + V{D_O_CE} - V{N}}{V{OUT} + V{D_O_CE} cdot V{SW}})，實(shí)際占空比會(huì)受到電路中其他功率損耗的影響，有效占空比可以近似為((eff) = (1 - Efficiency × (V{IN} / V{OUT})))。

4.3.6 選擇電感值

電感值的選擇需要權(quán)衡性能。較大的電感可以減少電感紋波電流，降低輸出電壓紋波，并且可以提供更多的負(fù)載功率。但電感值過(guò)小可能會(huì)限制輸出負(fù)載電流。通常，在感興趣的負(fù)載電流范圍內(nèi)，使轉(zhuǎn)換器工作在“連續(xù)”模式可以獲得最佳性能。

五、總結(jié)

LM2733是一款性能優(yōu)異的升壓轉(zhuǎn)換器，具有多種特性和保護(hù)功能，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體需求選擇合適的外部元件，合理設(shè)置參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。希望本文對(duì)大家了解和使用LM2733有所幫助。你在使用LM2733的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。