LTC3633A-2/LTC3633A-3：高效雙路同步降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
LTC3633A-2/LTC3633A-3：高效雙路同步降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。LTC3633A - 2/LTC3633A - 3作為一款高性能的雙路同步降壓調(diào)節(jié)器，為工程師們提供了出色的解決方案。今天，我們就來(lái)深入探討這款芯片的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)。
文件下載：LTC3633A-2.pdf
一、芯片概述
LTC3633A - 2是一款高效的雙路單片同步降壓調(diào)節(jié)器，采用受控導(dǎo)通時(shí)間、電流模式架構(gòu)，具備可鎖相的開(kāi)關(guān)頻率。其輸入電壓范圍為3.6V至20V，每個(gè)通道可提供3A的輸出電流，效率高達(dá)95%。兩個(gè)通道可以180°異相運(yùn)行，從而降低對(duì)輸入和輸出電容的要求。
主要特性
- 寬輸入電壓范圍：3.6V至20V的輸入電壓范圍，適用于鋰離子電池組以及12V或5V電源的負(fù)載點(diǎn)供電應(yīng)用。
- 高輸出電流：每個(gè)通道可提供3A的輸出電流，滿足大多數(shù)負(fù)載需求。
- 高效性能：最高效率可達(dá)95%，有效降低功耗。
- 低占空比操作：在2.25MHz時(shí)占空比低至5%。
- 可選相位偏移：通道之間可選擇0°/180°相位偏移。
- 可調(diào)開(kāi)關(guān)頻率：開(kāi)關(guān)頻率可在500kHz至4MHz之間調(diào)節(jié)，并支持外部頻率同步。
- 多種保護(hù)功能：具備短路保護(hù)、過(guò)壓輸入和過(guò)溫保護(hù)等功能，確保芯片安全可靠運(yùn)行。
- Power Good狀態(tài)輸出：方便監(jiān)測(cè)輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)。
二、工作原理
主控制環(huán)路
在正常工作時(shí)，內(nèi)部頂部功率MOSFET由固定單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器確定導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)頂部功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，底部功率MOSFET導(dǎo)通，直到電流比較器ICMP觸發(fā)，重新啟動(dòng)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器，開(kāi)始下一個(gè)周期。電感電流通過(guò)檢測(cè)底部功率MOSFET的SW和PGND節(jié)點(diǎn)之間的電壓降來(lái)測(cè)量。ITH引腳的電壓設(shè)置比較器閾值，對(duì)應(yīng)電感谷值電流。誤差放大器EA通過(guò)將內(nèi)部0.6V參考電壓與輸出電壓的反饋信號(hào)VFB進(jìn)行比較，調(diào)整ITH電壓。
開(kāi)關(guān)頻率控制
開(kāi)關(guān)頻率由RT電阻的值決定，它為內(nèi)部振蕩器編程電流。內(nèi)部鎖相環(huán)使開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的導(dǎo)通時(shí)間跟蹤內(nèi)部振蕩器的邊緣，強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)恒定開(kāi)關(guān)頻率。也可以將時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)用于MODE/SYNC引腳，將開(kāi)關(guān)頻率同步到外部源。
輕載模式
在輕載電流時(shí)，電感電流可能降至零并變?yōu)樨?fù)值。在Burst Mode模式下，電流反向比較器IREV檢測(cè)到負(fù)電感電流后，關(guān)閉底部功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)不連續(xù)操作，提高效率。
“Power Good”狀態(tài)輸出
PGOOD開(kāi)漏輸出在調(diào)節(jié)器輸出超出調(diào)節(jié)點(diǎn)±8%的窗口時(shí)將被拉低，當(dāng)調(diào)節(jié)在±5%的窗口內(nèi)時(shí)，該輸出變?yōu)楦咦杩?。為防止瞬態(tài)或動(dòng)態(tài)VOUT變化期間出現(xiàn)不必要的PGOOD干擾，LTC3633A - 2的PGOOD下降沿包含約40μs的濾波時(shí)間。
PVIN過(guò)壓保護(hù)
為保護(hù)內(nèi)部功率MOSFET器件免受瞬態(tài)輸入電壓尖峰的影響，LTC3633A - 2持續(xù)監(jiān)測(cè)每個(gè)PVIN引腳的過(guò)壓情況。當(dāng)PVIN上升到22.5V以上時(shí)，調(diào)節(jié)器通過(guò)關(guān)閉相應(yīng)通道的兩個(gè)功率MOSFET暫停操作。當(dāng)PVIN降至21.5V以下時(shí)，調(diào)節(jié)器立即恢復(fù)正常操作，并執(zhí)行軟啟動(dòng)功能。
異相操作
將PHMODE引腳拉高可使SW2的下降沿與SW1的下降沿相差180°。異相運(yùn)行兩個(gè)通道可以有效減少輸入電流脈沖的重疊時(shí)間，降低總RMS輸入電流，從而減輕輸入旁路電容的電容要求，并降低電源線上的電壓噪聲。但當(dāng)一個(gè)通道的占空比為50%時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲從一個(gè)通道耦合到另一個(gè)通道的情況，可通過(guò)良好的電路板布局來(lái)減輕這種影響。
三、應(yīng)用設(shè)計(jì)
編程開(kāi)關(guān)頻率
開(kāi)關(guān)頻率的選擇需要在效率和元件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。高頻操作允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加內(nèi)部柵極電荷損耗；低頻操作可提高效率，但需要更大的電感值和/或電容來(lái)保持低輸出紋波電壓?？赏ㄟ^(guò)將電阻從RT引腳連接到SGND來(lái)編程開(kāi)關(guān)頻率，公式為： [R_{RT}=frac{3.2E^{11}}{f}] 其中RRT的單位為Ω，f的單位為Hz。當(dāng)RT連接到INTVCC時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率默認(rèn)約為2MHz。
電感選擇
電感值和工作頻率決定了電感紋波電流。一般來(lái)說(shuō)，選擇電感紋波電流約為IOUT(MAX)的40%作為起點(diǎn)，最大不超過(guò)60%。為確保紋波電流不超過(guò)指定的最大值，可根據(jù)以下公式選擇電感值： [L=left(frac{V{OUT}}{f cdot Delta I{L(MAX)}}right)left(1-frac{V{OUT}}{V{IN(MAX)}}right)] 同時(shí)，還需要考慮電感的類型，如鐵氧體設(shè)計(jì)在高頻下具有較低的磁芯損耗，但要注意防止飽和。
(C{IN})和(C{OUT})選擇
輸入電容(C{IN})用于過(guò)濾頂部功率MOSFET漏極的梯形波電流，建議選擇低ESR、適合最大RMS電流的電容。最大RMS電流公式為：
[RMS =I{OUT(MAX)} frac{sqrt{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}}{V{IN}}]
輸出電容(C{OUT})的選擇取決于所需的有效串聯(lián)電阻（ESR）和大容量電容，以最小化電壓紋波和負(fù)載階躍瞬變，并確保控制環(huán)路穩(wěn)定。輸出紋波(Delta V{OUT})可近似為：
[Delta V{OUT}
輸出電壓編程
每個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出電壓由外部電阻分壓器設(shè)置，公式為： [V_{OUT}=0.6V(1+frac{R2}{R1})] 選擇合適的R1和R2電阻值可設(shè)置所需的輸出電壓。同時(shí)，將VON引腳連接到輸出電壓可使導(dǎo)通時(shí)間與輸出電壓成比例，并使內(nèi)部導(dǎo)通時(shí)間伺服環(huán)路將轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率鎖定到編程值。
最小關(guān)斷時(shí)間/導(dǎo)通時(shí)間考慮
最小關(guān)斷時(shí)間限制了最大占空比，公式為： [DC{(MAX)}=1-f cdot (t{OFF(MIN)}+2 cdot t{DEAD})] 其中f為開(kāi)關(guān)頻率，(t{DEAD})為非重疊時(shí)間（通常為10ns），(t{OFF(MIN)})為最小關(guān)斷時(shí)間（通常為45ns）。為避免輸出失穩(wěn)，最小輸入電壓為： [V{IN(MIN)}=frac{V{OUT}}{1-f cdot (t{OFF(MIN)}+2 cdot t{DEAD})}] 最小導(dǎo)通時(shí)間限制了最小占空比，公式為： [DC{(MIN)}=(f cdot t{ON(MIN)})] 其中(t{ON(MIN)})為最小導(dǎo)通時(shí)間（通常為20ns）。
內(nèi)部/外部環(huán)路補(bǔ)償
LTC3633A - 2提供了使用固定內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的選項(xiàng)，可減少外部元件數(shù)量和設(shè)計(jì)時(shí)間。建議在(f_{SW}>1MHz)的應(yīng)用中使用內(nèi)部補(bǔ)償。也可以選擇特定的外部環(huán)路補(bǔ)償組件來(lái)優(yōu)化主控制環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)。
MODE/SYNC操作
MODE/SYNC引腳是一個(gè)多功能引腳，可實(shí)現(xiàn)模式選擇和工作頻率同步。浮空或連接到INTVCC可啟用Burst Mode模式，在輕載電流下實(shí)現(xiàn)卓越的效率，但會(huì)有稍高的輸出電壓紋波；將MODE/SYNC引腳接地可選擇強(qiáng)制連續(xù)模式，實(shí)現(xiàn)最低的固定輸出紋波，但輕載效率較低。
輸出電壓跟蹤和軟啟動(dòng)
通過(guò)TRACKSS引腳，用戶可以控制輸出電壓的上升速率。當(dāng)TRACKSS電壓在0至0.6V之間時(shí)，將覆蓋誤差放大器的內(nèi)部0.6V參考輸入，將反饋電壓調(diào)節(jié)到TRACKSS引腳的電壓。當(dāng)TRACKSS高于0.6V時(shí)，跟蹤功能禁用，反饋電壓將調(diào)節(jié)到內(nèi)部參考電壓。也可以利用內(nèi)部1.4μA上拉電流源和外部電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，輸出上升時(shí)間與TRACKSS電容的關(guān)系為： [t{SS}=43000 Omega cdot C{SS}]
輸出Power Good
PGOOD輸出由一個(gè)20Ω（典型值）的開(kāi)漏下拉器件驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸出電壓在目標(biāo)調(diào)節(jié)點(diǎn)的±5%（典型值）范圍內(nèi)時(shí)，該器件關(guān)閉，PGOOD引腳電壓通過(guò)外部上拉電阻上升；當(dāng)輸出電壓超出目標(biāo)調(diào)節(jié)點(diǎn)的±8%（典型值）調(diào)節(jié)窗口時(shí)，開(kāi)漏輸出以20Ω輸出電阻下拉到地，PGOOD引腳電壓下降。
四、效率和熱考慮
效率分析
開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。LTC3633A - 2電路中的主要損耗來(lái)源包括(I^{2}R)損耗、開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)功率損耗以及過(guò)渡損耗和其他損耗。通過(guò)分析這些損耗，可以確定限制效率的因素，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。
熱分析
LTC3633A - 2需要將暴露的封裝背板金屬（PGND）良好地焊接到PCB板上，以提供良好的熱接觸。在大多數(shù)應(yīng)用中，由于其高效率和低熱阻的暴露式QFN封裝，LTC3633A - 2的散熱較少。但在高環(huán)境溫度、高輸入電源電壓、高開(kāi)關(guān)頻率和最大輸出電流負(fù)載的應(yīng)用中，可能需要進(jìn)行熱分析，以確保結(jié)溫不超過(guò)125°C。溫度上升公式為： [T{RISE}=P{D} cdot theta{JA}] 其中(P{D})為功率損耗，(theta_{JA})為封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻。
五、典型應(yīng)用
LTC3633A - 2/LTC3633A - 3在多種應(yīng)用場(chǎng)景中都有出色的表現(xiàn)，如1.8V/2.5V 4MHz降壓調(diào)節(jié)器、3.3V/1.8V順序調(diào)節(jié)器、1.2V/1.8V降壓調(diào)節(jié)器（帶同步跟蹤）、雙輸出調(diào)節(jié)器（來(lái)自多個(gè)輸入電源）以及6A 1MHz 2相降壓調(diào)節(jié)器等。
六、總結(jié)
LTC3633A - 2/LTC3633A - 3是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的雙路同步降壓調(diào)節(jié)器，具有寬輸入電壓范圍、高輸出電流、高效性能和多種保護(hù)功能等特點(diǎn)。在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體需求合理選擇開(kāi)關(guān)頻率、電感、電容等元件，并考慮效率和熱管理等因素。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以充分發(fā)揮該芯片的優(yōu)勢(shì)，為電子系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。
作為電子工程師，你在使用LTC3633A - 2/LTC3633A - 3時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。
-
應(yīng)用設(shè)計(jì)
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
374瀏覽量
8665
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
評(píng)論