LTC1772：高效降壓DC/DC轉換器的設計與應用

在電子設備的電源設計中，高效、穩(wěn)定且緊湊的電源解決方案至關重要。今天，我們就來深入探討一下Linear Technology公司的LTC1772恒頻電流模式降壓DC/DC轉換器，以及基于它的DC270演示板的設計與應用。

文件下載：DC270A.pdf

一、DC270演示板概述

DC270演示板是一款采用LTC1772的降壓（buck）調節(jié)器。它全部使用表面貼裝元件，能在極小的電路板空間內實現(xiàn)高效應用，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和其他便攜式電子產品。該演示板在輸入電源為4.2V時，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、輸出電壓精度和負載調節(jié)等方面都表現(xiàn)出色，能滿足大多數(shù)便攜式設備的電源需求。那么大家在實際應用中，是否會根據(jù)這些參數(shù)來選擇合適的電源芯片呢？

三、工作原理

1. 整體架構

LTC1772采用恒頻、脈寬調制、電流模式架構。電流模式操作具有啟動干凈、出色的線路和負載調節(jié)等優(yōu)點。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用。不過，外部MOSFET可能會限制最小輸入電壓，所以在選擇MOSFET時需要謹慎。

2. 詳細工作過程

在每個周期開始時，當振蕩器設置鎖存器（RS1）時，外部P溝道功率MOSFET導通；當電流比較器（ICOMP）重置鎖存器時，MOSFET關斷。ICOMP重置RS鎖存器時的峰值電感電流由(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})。當負載電流增加時，(V{FB})相對于0.8V參考電壓略有下降，導致(I_{TH}/RUN)電壓升高，直到平均電感電流與新的負載電流匹配。

3. 控制與保護機制

• 關機控制：將(I{TH}/RUN)引腳拉低可關閉主控制回路。釋放(I{TH}/RUN)引腳后，內部0.5μA電流源對外部補償網(wǎng)絡充電。當(I{TH}/RUN)引腳達到0.4V時，主控制回路啟用，(I{TH}/RUN)電壓升至約0.7V的零電流水平。隨著外部補償網(wǎng)絡繼續(xù)充電，相應的輸出電流跳閘水平隨之變化，實現(xiàn)正常操作。
• 過壓保護：比較器OVP可防止輸出電壓瞬態(tài)過沖超過目標輸出電壓的7.5%，通過關閉P溝道功率MOSFET并保持關閉狀態(tài)，直到故障消除。
• 欠壓鎖定：為防止鋰離子電池深度放電，LTC1772內置了欠壓鎖定電路。當輸入電源電壓降至約2.2V以下時，欠壓鎖定功能關閉P溝道MOSFET和除欠壓檢測塊外的所有電路，欠壓檢測塊僅消耗幾微安電流。
• 短路保護：當輸出短路到地時，振蕩器頻率降至約90kHz，使電感電流安全放電，防止電流失控。當反饋電壓再次接近0.8V時，振蕩器頻率將逐漸恢復到設計速率。

這些控制和保護機制確保了LTC1772在各種復雜情況下都能穩(wěn)定可靠地工作，大家在設計電路時，是否充分考慮了這些保護機制的作用呢？

四、工作模式

1. 突發(fā)模式（Burst Mode）

在低負載電流時，LTC1772進入突發(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被設置為好像(V{ITH}/RUN = 1V)（在低占空比時）。如果電感的平均電流大于負載需求，(I{TH}/RUN)引腳的電壓將下降。當(I{TH}/RUN)電壓低于0.85V時，睡眠信號變高，關閉外部MOSFET；當(I_{TH}/RUN)電壓高于0.925V時，睡眠信號變低，LTC1772恢復正常操作，下一個振蕩器周期將再次開啟外部MOSFET，開關周期重復。

2. 效率與負載電流關系

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

五、輸出電壓設置

在演示電路中，輸出電壓設置為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，這種拓撲結構無法實現(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，因為安裝的輸出電容額定電壓為6V。

六、測量與測試

1. 電壓調節(jié)測量

測量電壓調節(jié)時，所有測量必須在調節(jié)點進行，即LTC1772控制回路獲取信息以保持輸出電壓恒定的點，該信息出現(xiàn)在LTC1772的引腳3和引腳2之間。對于高于0.8V的輸出電壓，引腳3的電壓可以通過電阻分壓器網(wǎng)絡進行調節(jié)。測試引線應連接到演示板的輸出端子，負載應盡可能靠近這些端子連接。在進行線路調節(jié)測試時，應始終觀察輸入端子兩端的輸入電壓。為了確保測試的準確性，演示電路應使用穩(wěn)壓直流工作臺電源供電，以避免直流輸入的額外變化對調節(jié)測量產生誤差。

2. 瞬態(tài)響應檢查

開關調節(jié)器需要幾個周期來響應直流負載電流的階躍變化。當負載階躍發(fā)生時，(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})也開始對(C{OUT})進行充電或放電，直到調節(jié)器回路適應電流變化并將(V{OUT})恢復到穩(wěn)態(tài)值。在恢復期間，可以監(jiān)測(V_{OUT})是否存在過沖或振鈴現(xiàn)象，這可能表示存在穩(wěn)定性問題。圖1中所示的外部組件對于大多數(shù)應用來說是足夠的。

七、組件選擇

1. 電容器

在開關電源應用中，電容器的選擇非常關鍵。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關電源設計的。此外，有機半導體類型（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設計用于低至約2.2V的輸入電壓，對于接近該電壓工作的應用，需要使用亞邏輯閾值MOSFET（(R{DS(ON)})在(V{GS} = 2.5V)時得到保證）。使用這些MOSFET時，要確保LTC1772的輸入電源小于絕對最大(V_{GS})額定值，通常為8V。

3. 電感器

演示板中使用的電感器來自Coilcraft，但市場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。不同的電感器設計具有不同的物理尺寸、損耗特性和雜散場模式。因此，如果使用替代電感器，需要重新對電路進行效率表征。建議與表1中的一些電感器制造商聯(lián)系，討論具體需求，通常可以找到滿足需求的標準、低成本解決方案。

4. 感測電阻

組件列表中指定的電流感測電阻由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在關斷期間承載負載電流，其平均電流取決于P溝道開關的占空比。在高輸入電壓下，二極管大部分時間導通；當(V{IN})接近(V{OUT})時，二極管僅在一小部分時間導通。二極管最惡劣的工作條件是輸出短路，此時二極管必須在接近100%的占空比下安全處理(I_{PEAK})。高速開關二極管可以優(yōu)化效率，肖特基二極管由于其低正向壓降和快速開關時間，是一個不錯的選擇。

八、總結

LTC1772恒頻電流模式降壓DC/DC轉換器以其高效、穩(wěn)定和緊湊的特點，為便攜式電子設備的電源設計提供了優(yōu)秀的解決方案。通過合理選擇組件和優(yōu)化電路設計，我們可以充分發(fā)揮LTC1772的性能優(yōu)勢。在實際應用中，我們還需要根據(jù)具體需求進行測試和調整，以確保電源系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。大家在使用LTC1772進行設計時，是否遇到過一些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。

附件：組件制造商列表

1. 電感器制造商

2. 電容器制造商