深入剖析LM2733：高性能升壓轉換器的設計與應用
深入剖析LM2733：高性能升壓轉換器的設計與應用
在電子工程師的日常工作中，選擇合適的升壓轉換器對于實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設計至關重要。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）的LM2733升壓轉換器，探討它的特性、應用以及設計要點。
文件下載：LM2733YMF.pdf
一、LM2733概述
LM2733是一款采用SOT - 23封裝的開關調節(jié)器，它有1.6 MHz（“X”選項）和600 kHz（“Y”選項）兩種固定頻率的電流模式升壓轉換器。其內部集成了40 - V的DMOS FET開關，具有低(R_{DS(ON)})、寬輸入電壓范圍（2.7 V至14 V）、低關斷電流（<1 μA）等特點，能夠使用小型電容和電感，實現(xiàn)了業(yè)界最高的功率密度。
1.1 主要特性
- 高頻開關：提供1.6 MHz和0.6 MHz兩種開關頻率，可根據(jù)應用需求靈活選擇。
- 低導通電阻：低(R_{DS(ON)})的DMOS FET開關，可降低導通損耗，提高效率。
- 大電流能力：開關電流最大可達1 A，能滿足多種負載需求。
- 寬輸入電壓范圍：2.7 V至14 V的輸入電壓范圍，適應不同的電源環(huán)境。
- 低關斷電流：關斷電流小于1 μA，可有效延長電池壽命。
- 小封裝：采用5引腳的SOT - 23封裝，節(jié)省電路板空間。
- 保護功能：具備逐周期電流限制和熱關斷保護，提高系統(tǒng)的可靠性。
- 內部補償：內部補償簡化了設計，減少了外部元件數(shù)量。
1.2 應用領域
LM2733適用于多種應用場景，如白色LED電流源、個人數(shù)字助理（PDA）和掌上電腦、數(shù)碼相機、便攜式電話和游戲設備以及本地升壓調節(jié)器等。
二、LM2733的詳細規(guī)格
2.1 絕對最大額定值
| 參數(shù) | 最小值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|
| 輸入電源電壓 ((V_{IN})) | - 0.4 | 14.5 | V |
| FB引腳電壓 | - 0.4 | 6 | V |
| SW引腳電壓 | - 0.4 | 40 | V |
| SHDN引腳電壓 | - 0.4 | (V_{IN}) + 0.3 | V |
| 功耗 | 內部限制 | ||
| 引腳溫度（焊接，5秒） | 300 | °C | |
| 存儲溫度 ((T_{stg})) | - 65 | 150 | °C |
2.2 ESD額定值
- 人體模型（HBM）：±2000 V
- 機器模型：±200 V
2.3 推薦工作條件
| 參數(shù) | 最小值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|
| 輸入電源電壓 ((V_{IN})) | 2.7 | 14 | V |
| SHDN引腳電壓 | 0 | (V_{IN}) | V |
| 結溫 | - 40 | 125 | °C |
2.4 熱信息
| 熱指標 | LM2733（DBV - SOT - 23，5引腳） | 單位 |
|---|---|---|
| (R_{θJA})（結到環(huán)境熱阻） | 210 | °C/W |
| (R_{θJC(top)})（結到外殼頂部熱阻） | 122 | °C/W |
| (R_{θJB})（結到電路板熱阻） | 38.4 | °C/W |
| (ψ_{JT})（結到頂部特性參數(shù)） | 12.8 | °C/W |
| (ψ_{JB})（結到電路板特性參數(shù)） | 37.5 | °C/W |
| (R_{θJC(bot)})（結到外殼底部熱阻） | n/a | °C/W |
2.5 電氣特性
| 在(V{IN}=5 V)、(V{SHDN}=5 V)、(I{L}=0 A)、(T{J}=25°C)的條件下，部分電氣特性如下： | 參數(shù) | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (V_{IN})（輸入電壓） | - 40°C ≤ (T_{J}) ≤ +125°C | 14 | V | |||
| (I_{SW})（開關電流限制） | 見說明 | 1 | 1.5 | A | ||
| (R_{DS(ON)})（開關導通電阻） | (I_{SW}=100 mA) | 500 | 650 | mΩ | ||
| (SHDN_{TH})（關斷閾值） | 器件開啟， - 40°C ≤ (T_{J}) ≤ +125°C | 1.5 | V | |||
| 器件關閉， - 40°C ≤ (T_{J}) ≤ +125°C | 0.50 | V | ||||
| (I_{SHDN})（關斷引腳偏置電流） | (V_{SHDN}=0) | 0 | μA | |||
| (V_{SHDN}=5 V) | 0 | μA | ||||
| (V{SHDN}=5 V)， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C | 2 | μA | ||||
| (V_{FB})（反饋引腳參考電壓） | (V_{IN}=3 V) | 1.230 | V | |||
| (V{IN}=3 V)， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C | 1.205 | 1.255 | V | |||
| (I_{FB})（反饋引腳偏置電流） | (V_{FB}=1.23 V) | 60 | nA | |||
| (I_{Q})（靜態(tài)電流） | (V_{SHDN}=5 V)，開關“X” | 2.1 | mA | |||
| (V{SHDN}=5 V)，開關“X”， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C | 3 | mA | ||||
| (V_{SHDN}=5 V)，開關“Y” | 1.1 | mA | ||||
| (V{SHDN}=5 V)，開關“Y”， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C | 2 | mA | ||||
| (V_{SHDN}=5 V)，不開關 | 400 | μA | ||||
| (V{SHDN}=5 V)，不開關， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C | 500 | μA | ||||
| (V_{SHDN}=0) | 0.024 | 1 | μA | |||
| (Delta V{FB}/Delta V{IN})（FB電壓線性調整率） | 2.7 V ≤ (V_{IN}) ≤ 14 V | 0.02 | %/V |
2.6 典型特性
文檔中給出了多個典型特性曲線，如靜態(tài)電流與溫度的關系、振蕩器頻率與溫度的關系、最大占空比與溫度的關系以及效率與負載電流的關系等。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，通過與開關FET串聯(lián)的50 mΩ感測電阻，將與FET電流成比例的電壓提供給脈沖寬度調制（PWM）比較器和電流限制放大器的輸入。在每個周期開始時，S - R鎖存器打開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。當該電壓超過Gm放大器的輸出電壓時，鎖存器復位，關閉FET。由于Gm放大器的信號來自反饋（采樣輸出電壓），PWM比較器會不斷調整FET的峰值電流，以保持輸出電壓穩(wěn)定。
3.2 電流限制保護
電流限制比較器直接連接到驅動開關FET的觸發(fā)器。當FET電流達到限制閾值時，F(xiàn)ET關閉，周期終止，直到下一個時鐘脈沖。無論PWM比較器的輸出狀態(tài)如何，電流限制輸入都會終止脈沖。
3.3 帶隙電壓參考
Q1和Q2以及R3 - R6構成帶隙電壓參考，用于保持輸出電壓穩(wěn)定。Q1和Q2中的電流相等，反饋環(huán)路會調整輸出電壓以維持這種平衡。因此，調節(jié)后的輸出電壓始終保持在與FB節(jié)點電壓成比例的水平，比例由輸出電阻分壓器決定。
四、應用與設計要點
4.1 典型應用電路
文檔中給出了基本應用電路，通過合理選擇外部元件，可以實現(xiàn)不同的輸出電壓和負載電流。
4.2 設計要求
| 組件 | LM2733 - X（低電壓5 - 12 V，330 mA） | LM2733 - X（高電壓20 V，170 mA） | LM2733 - Y（高電壓30 V，110 mA） |
|---|---|---|---|
| R1 | 117 K | 205 K | 309 K |
| R2 | 13.3 K | 13.3 K | 13.3 K |
| Cf | 220 pF | 120 pF | 82 pF |
| D1 | MBR0520 | MBR0530 | MBR0540 |
4.3 詳細設計步驟
4.3.1 選擇外部電容
- 輸出電容：對于大多數(shù)應用，4.7 μF至10 μF的單個陶瓷電容即可提供足夠的輸出電容。對于輸出電壓低于10 V的情況，需要10 μF的電容。如果需要更大的電容來改善線路支持和瞬態(tài)響應，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題，通常不適合用于開關頻率高于500 kHz的應用。
- 輸入電容：輸入電容作為每次開關導通時流入線圈的電流的能量儲存器，需要具有極低的ESR，因此陶瓷電容是最佳選擇。TI推薦標稱值為2.2 μF的電容，但也可以使用更大的值。
- 前饋補償電容：雖然LM2733內部有補償，但前饋電容Cf對于穩(wěn)定性是必需的。推薦的零點頻率(f_z)約為8 kHz，Cf可以通過公式(Cf = 1 / (2 × π × R1 × f_z))計算。
4.3.2 選擇二極管
外部二極管應選用肖特基二極管。根據(jù)開關電壓的不同，推薦選擇不同耐壓的二極管：開關電壓小于15 V時，推薦使用20 - V的二極管（如MBR0520）；開關電壓在15 V至25 V之間時，推薦使用30 - V的二極管（如MBR0530）；開關電壓超過25 V時，推薦使用40 - V的二極管（如MBR0540）。對于平均電流超過0.5 A但小于1 A的應用，可以使用Microsemi UPS5817。
4.3.3 設置輸出電壓
輸出電壓通過外部電阻R1和R2設置。推薦R2的值約為13.3 kΩ，以建立約92 μA的分壓器電流。R1可以通過公式(R1 = R2 × (V_{OUT} / 1.23 - 1))計算。
4.3.4 選擇開關頻率
LM2733提供1.6 MHz和600 kHz兩種固定頻率選項。較高的開關頻率可以使電感和電容更小、更便宜，但效率會略有降低，并且電磁干擾（EMI）通常會更嚴重。因此，需要根據(jù)具體應用需求權衡選擇。
4.3.5 計算占空比
占空比計算公式為(Duty Cycle = frac{V{OUT} + V{D_O_CE} - V{N}}{V{OUT} + V{D_O_CE} cdot V{SW}})，實際占空比會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載功率。但電感值過小可能會限制輸出負載電流。通常，在感興趣的負載電流范圍內，使轉換器工作在“連續(xù)”模式可以獲得最佳性能。
五、總結
LM2733是一款性能優(yōu)異的升壓轉換器，具有多種特性和保護功能，適用于多種應用場景。在設計過程中，工程師需要根據(jù)具體需求選擇合適的外部元件，合理設置參數(shù)，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設計。希望本文對大家了解和使用LM2733有所幫助。你在使用LM2733的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。
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