使用高效的单电感同步降压-升压稳压器解决方案

当今便携式设备最常见的电源问题之一是产生一个调节电压，该电压落在电池全电压范围的中间位置。例如，从锂离子（Li-Ion）电池的3.3V至2.5V范围提供一致的4.2V输出。解决此问题的最常用拓扑是SEPIC转换器，但SEPIC有一些固有的缺点，包括效率平庸，以及同时需要耦合电感和高电流反激式电容器。另一种解决方案是将升压转换器与LDO或降压转换器级联的电路，但这种相对低效的电路在额外元件上花费的额外空间和资金方面并没有好到哪里去。凌力尔特现在通过LTC3440 降压-升压型转换器提供了另一种更好的解决方案，该转换器提供了迄今为止最紧凑、效率最高的解决方案 — 降低成本、延长电池寿命并节省宝贵的印刷电路板空间。

LTC®3440 是业界首款恒定频率、单电感、降压-升压型转换器。该 IC 采用正在申请专利的控制技术，只需一个电感即可有效地调节高于、低于或等于输入源电压的输出电压，而无需肖特基二极管。图 1 显示了上述拓扑的功率级 — SEPIC、级联升压-降压和级联升压 LDO — 以及使用 LTC3440 的单电感器拓扑。

图1.用于锂离子至3.3V转换的各种功率级拓扑

图2显示了每种拓扑的效率与输入电压的关系。LTC3440 解决方案是该组中唯一一款能够达到 95% 效率的解决方案，并且在电池的整个工作电压范围内保持优于 90% 的效率。

图2.图1中拓扑的效率与输入电压的关系

特征

LTC3440 的输入和输出电压范围均为 2.5V 至 5.5V。高频、低噪声和高效率运行部分归功于低R。DS（ON）（0.19Ω NMOS，0.22Ω PMOS），低栅极电荷同步开关和最短的先开后合时间。LTC3440 采用耐热性能增强型 MS10 封装，这使得其非常适合需要低于 <> W 输出功率的便携式电源应用。

为了提高轻负载条件下的效率，LTC3440 提供了突发模式操作，其仅吸收 25μA 的静态电流，从而进一步延长了电池寿命。要启用突发模式操作，只需将 MODE/SYNC 引脚驱动为高电平。或者，对于噪声敏感型应用，将 MODE/SYNC 驱动为低电平以实现固定频率开关。通过改变RT引脚和地之间的电阻值，工作频率可在300kHz至2MHz范围内进行编程。无需外部时钟，但用户可以通过将外部时钟连接到MODE/SYNC引脚来同步工作频率。也可以通过将 SHDN/SS 引脚拉低来命令该器件关断。在停机模式中，该器件吸收的静态电流小于1μA，并将输出与输入电源断开。为了限制启动时的浪涌电流，将外部RC网络连接到SHDN/SS引脚以软启动输出电压。®

LTC3440 架构

LTC3440 中采用的拓扑结构 （参见图 3 所示的部分原理图） 允许稳压器从降压模式平稳地过渡到降压-升压模式，然后通过正确相位化四个输出开关 （SW A、SW B、SW C 和 SW D） 来响应误差放大器输出电压 （VC 引脚）。由于误差放大器输出电压是滤波信号，占空比/模式控制对开关噪声不敏感。

图3.LTC3440 输出级的详细原理图

图4显示了每个开关的导通时间与VC电压的函数关系。在降压模式下，开关 A 和 B 在 D 导通和 C 关断时同步切换。在另一个极端，当稳压器处于升压模式时，开关C和D同步切换，而A导通，B关断。在降压-升压模式下，输入电压接近输出电压，所有四个开关均换向。

图4.输出开关的导通时间与误差放大器控制电压 VC

2 瓦、锂离子至 3.3V 转换器

图5所示为全陶瓷电容，锂离子至3.3V/600mA应用，工作频率为1MHz。图6显示了锂离子电池范围内的效率曲线。在负载需求降低期间，可以命令转换器进入节能突发模式操作。在轻负载下启用突发模式操作后，该设计可在超过二十倍的负载电流下产生超过 80% 的效率。在 200μA 负载电流下，效率保持在 70% 以上，这主要是由于静态电流低至 25μA。为了提供浪涌电流限制，请在 SHDN/SS 和 V 之间添加一个电阻器在以及 SHDN/SS 和 GND 之间的电容器，以限制启动时的误差放大器输出电压上升时间。

图5.简单的锂离子至3.3V转换器，功率为<>瓦

图6.图5所示电路的效率

3节电池至3.3V转换器，电流为600mA

LTC3440 的架构使其不仅适用于锂离子电池应用。LTC3440 非常适合输入电压通常在 3.2V 至 7.4V 范围内变化的 5 节电池应用。图7所示为3节电池至3.3V应用，其效率曲线如图8所示。开关频率设置为1.5MHz，因此可以使用较小的电感器，从而实现更快的瞬态响应。由于频率较高，增加了肖特基二极管以获得最大效率（2.1MHz时典型值为5%）。III型误差放大器补偿（两极，两个零）用于最大化带宽，优化瞬态响应。该应用还利用软启动功能进行浪涌电流控制。

图7.3节电池至3.3V/600mA，可选肖特基二极管

图8.图7所示电路的效率

具有真输出断接功能的锂离子至5V转换器

在锂离子至5V应用中，通常采用升压转换器，但通常必须添加额外的断路开关。LTC3440 具有真正的输出断接内置功能，这使其成为一款更紧凑的解决方案，适用于仅升压型应用。图9所示为锂离子至5V转换器，该转换器还利用了浪涌电流限制功能。

图9.LTC®3440 是一款极具吸引力的解决方案，适用于具有输出断接功能的升压型转换器。

结论

凌力尔特的 LTC3440 同步降压-升压型转换器简化了锂离子或多节电池供电手持电子设备的设计。它可以帮助设计人员延长操作时间，节省关键的电路板空间并满足元件高度要求。LTC3440 的高频操作允许使用所有陶瓷电容器，而新颖的拓扑结构可容纳单个小型表面贴装型电感器。对工作频率、输出电压、软启动、环路补偿和突发模式操作进行编程的能力使设计人员能够针对各种便携式应用优化电源转换。低 RDS（ON）（0.19Ω NMOS，0.22Ω PMOS）同步开关可优化所有应用的效率。

审核编辑：郭婷