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(shè)計(jì)中，DC/DC控制器是至關(guān)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(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了卓越的性能。本文將深入剖析LTC3873的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用信息以及相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、LTC3873的特點(diǎn)

1. 多種拓?fù)渲С?/h3>

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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適用于高輸入和輸出電壓的轉(zhuǎn)換應(yīng)用。這使得它在不同的電源設(shè)計(jì)中具有廣泛的適用性。

2. 無(wú)電流檢測(cè)電阻技術(shù)

其N(xiāo)o RSENSE檢測(cè)技術(shù)是一大亮點(diǎn)，該技術(shù)不僅提高了轉(zhuǎn)換效率，還增加了功率密度，同時(shí)降低了整體解決方案的成本。通過(guò)直接檢測(cè)功率MOSFET的電壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，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(duì)電壓精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。在正常工作時(shí)，靜態(tài)電流僅為300μA，微功耗啟動(dòng)時(shí)僅為55μA，具有較低的功耗。

4. 靈活的軟啟動(dòng)功能

軟啟動(dòng)可以通過(guò)外部電容進(jìn)行編程，也可以使用內(nèi)部3.3ms的軟啟動(dòng)功能。在啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)電壓斜坡限制 (V_{ITH}) ，避免了啟動(dòng)時(shí)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(guò)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(qiáng)的適應(yīng)性。

6. 低靜態(tài)電流和小封裝

正常工作時(shí)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(duì)空間和功耗要求較高的應(yīng)用。

二、工作原理

1. 主控制回路

在正常工作時(shí)，振蕩器設(shè)置PWM鎖存器使功率MOSFET導(dǎo)通，電流比較器復(fù)位鎖存器使MOSFET關(guān)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(jìn)行比較，輸出誤差信號(hào)到 (I{TH}) 引腳。 (I{TH}) 引腳的電壓設(shè)置電流比較器的輸入閾值，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)， (V{FB}) 電壓相對(duì)于參考電壓下降，導(dǎo)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(shí)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(guò)25mA。這使得LTC3873可以使用超過(guò)其絕對(duì)最大額定值的各種供電方案。

3. 啟動(dòng)/關(guān)斷機(jī)制

LTC3873有兩種關(guān)斷機(jī)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(dāng) (V{CC}) 引腳電壓超過(guò) (V{TURNON}) （標(biāo)稱8.4V）時(shí)，LTC3873開(kāi)始工作；當(dāng) (V{CC}) 電壓下降到 (V{TURNOFF}) （標(biāo)稱4V）時(shí)，欠壓鎖定將使LTC3873關(guān)斷。RUN/SS引腳可以驅(qū)動(dòng)到 (V{SHDN}) （標(biāo)稱0.7V）以下，強(qiáng)制LTC3873進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。

4. 輕載操作

在非常輕的負(fù)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(fù)載電流進(jìn)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(kāi)始跳周期以維持調(diào)節(jié)，從而在輕負(fù)載下保持恒定頻率，降低輸出紋波、可聽(tīng)噪聲和射頻干擾，同時(shí)提高輕負(fù)載效率。

5. 電流檢測(cè)

在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，控制電路將電流檢測(cè)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(cè)電壓會(huì)相應(yīng)降低。

三、應(yīng)用信息

1. (V_{CC}) 偏置電源

(V{CC}) 引腳必須通過(guò)一個(gè)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(dòng)器所需的高瞬態(tài)電流。LTC3873可以采用多種供電方案，如通過(guò)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(bǔ)償

LTC3873內(nèi)置了內(nèi)部斜率補(bǔ)償，以穩(wěn)定控制回路，防止次諧波振蕩。也可以通過(guò)從SW引腳注入斜坡電流到外部斜率補(bǔ)償電阻來(lái)增加斜率補(bǔ)償。不過(guò)，當(dāng)使用 (R_{DS(ON)}) 檢測(cè)技術(shù)時(shí)，不建議添加外部斜率補(bǔ)償，因?yàn)镾W引腳的振鈴會(huì)干擾微小的斜率補(bǔ)償電流。

3. 輸出電壓編程

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

4. 變壓器設(shè)計(jì)考慮

變壓器的規(guī)格和設(shè)計(jì)是成功應(yīng)用LTC3873的關(guān)鍵部分。在選擇變壓器匝數(shù)比時(shí)，用戶有相對(duì)的自由度，可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇簡(jiǎn)單的整數(shù)比，如1:1、2:1等。同時(shí)，要注意變壓器的漏感問(wèn)題，可能需要使用“緩沖器”電路來(lái)避免MOSFET漏極節(jié)點(diǎn)的過(guò)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(dǎo)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(duì)不太關(guān)鍵，但在某些情況下，如電池突然連接到轉(zhuǎn)換器輸入時(shí)，要注意避免固態(tài)鉭電容器的災(zāi)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(zhuǎn)換器中可以防止變壓器磁芯飽和，在升壓轉(zhuǎn)換器中限制了最大升壓比或最大輸出電壓。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免極端占空比，以減少對(duì)大多數(shù)組件的電流應(yīng)力。

8. 輸出二極管選擇

為了最大化效率，應(yīng)選擇具有低正向壓降和低反向泄漏的快速開(kāi)關(guān)二極管。輸出二極管在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間導(dǎo)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(yīng)用

1. 5V輸出非隔離電信電源

適用于電信設(shè)備的電源供應(yīng)，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(zhuǎn)換器

用于需要SEPIC拓?fù)涞膽?yīng)用場(chǎng)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(zhuǎn)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(yīng)用非絕緣升壓轉(zhuǎn)換器

適用于工業(yè)領(lǐng)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(jié)

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(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、元件參數(shù)，充分發(fā)揮LTC3873的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。你在使用LTC3873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。