基于LTC3789芯片的高效同步升降压电源设计

LTC3789系新研发出的高效率高性能升降压式开关稳压控制器，其输入电压可以从4V~38V，输出电压可以高于输入电压，可以低于输入电压为0.8V~38V，工作频率恒定，最高可达600KHz（200~600KHz）。为电流模式工作。输出电流反馈环提供对电池充电的支持，满足输入输出4V~38V的宽范围。在工作区域有很低的噪声，LTC3789系目前最理想的可升降压的电池供电系统应用IC。

控制器工作模式由MODE/PLLIN端决定，MODE/PLLIN端可以在脉冲跳跃型和连续工作模式之间选择，它允许IC同步到外部时钟，脉冲跳跃型在轻载时提供十分低的纹波，与在连续工作模式时相同。

当输出电压进入设定值的10%以内时，PG端给出指标，LTC3789采用28PIN的4mm×5mm的QFN封装。

LTC3789外部要求四只功率MOSFET，在VIN关断时VOUT即断开，软起动时间可调，主要用于自动化系统，大功率电池供电系统等。

LTC3789基本应用电路图，如图1。

下面介绍高效同步四开关升降压控制器LTC3789的运行。

 主回路控制

LTC3789是一个提供输出电压高于，等于或低于输出电压的电流模式控制器。LTC专有的拓扑结构和控制结构采用一个电流检测电阻。ITH引脚上的电压是误差放大器的EA的输出电压，电感上的电流是由ITH引脚上的电压控制的。VFB引脚的反馈电压与误差放大器EA的内部参考电压相比较。如果输入输出电流调节回路已实现，那么电感电流的检测通过检测反馈电压或者是检测输入输出电流方式控制。

INTVCC/EXTVCC供电

顶部MOSFET和底部MOSFET的驱动器以及多数内部电路都从INTVCC端供电，当EXTVCC令其打开或接到低于4.5V时，一个内部5.5V的低压差稳压器给INTVCC从VIN供电，如果EXTVCC升上4.8V以上，则5.5V调整器关断，另一个LDO调整器INTVCC从EXTVCC给出稳定电压，EXTVCC 的LDO允许INTVCC从更高效率的外部电源供电，例如从LTC3789的输出供电，EXTVCC的最大电压允许为14V。

内部充电泵

每一个顶部MOSFET驱动器都是从浮动的升压电容器CA和CB上取电荷的，通常由INTVCC通过外部二极管在MOS关闭时为之充电。当LTC3789只工作在降压或升压区间时，其中一个顶部MOS总处于导通状态，一个内部充电泵重新给升压电容充满电，通过升压二极管只有很小的漏电流，这令MOS保持导通。当然，如果二极管漏电大。则内部充电泵就不能足够地给外部升压电容充电，一个内部的UVLO比较器一直监视此电容上的电压，检测BOOST-SW电压不得低于3.6V，否则它将关断顶部MOSFET，大约时钟周期的1/12，以允许CA或CB重新充电。

关断和起动

控制器可以由拉低RUN端到低电平而关断，当RUN端电压低于0.5V时，LTC3789即进入低静态电流模式。放开RUN端即允许内部1.2μA电流源为之充电，将电平拉上去，再次使能控制器。当RUN端在精密阈值1.22V以上时，内部LDO将给INTVCC供电。在此同时，一个6μA上拉电流将突然跳入并给RUN端提供更多的滞后，RUN端也可以从外部上拉或直接由逻辑电路驱动，要小心不要超出此端绝对最大值电压6V。

控制器输出电压VOUT的起动，由SS端上的电压控制，当SS端电压低于0.8V的内部基准电压时。LTC3789调节VFB电压用SS上的电压替代0.8V基准，这样允许SS端用外接电容来调节软起动，此电容接于SS端到GND。一个内部3μA上拉电流给此电容充电，建立一个电压斜波于SS端。随着SS端电压线性上升，从0V到0.8V，输出电压VOUT也同步从0V上升到设定电压值。换句话说，SS端可以用于决定输出电压VOUT跟随另一个电源的输出轨迹。当RUN拉低就可以禁止控制器。当INTVCC低于欠压锁定值3.4V时，SS端由内部MOSFET拉低进入欠压锁定状态，控制器被禁止，外部功率MOS都处在关断状态。

电源开关控制

上图展示了一个4个开关管如何连接到电感，VIN，VOUT和GND的简化框图。

上图展示了LTC3789占空比D功能的操作区域。电源开关管被适当控制在连续区域转换。

升压区域（VIN《《VOUT）

在升压区域开关管A始终是开，同步开关管B始终是关。在每个周期中，首先打开开关管C，同步开关管C打开时，电感上的电流被检测。当电感上的峰值电流检测到超过参考电压的需求，并且和ITH引脚上的电压成正比，开关管C被关闭，同时在这个周期的剩余部分开关管D打开。开关管C和开关管D交替打开，像一个典型的同步升压稳压器。开关管C的占空比减小，直到转换器的最小占空比达到DMIN_BOOST，公式如下：

降压区域（VIN 〉〉VOUT）

开关D总处在导通状态，开关C总处在关闭状态。在每一周期起动时，同步开关B首先导通，在同步开关B导通时检测出电感电流，在检测电压降到基准电压以下时，与VITH成正比，同步开关B关断，而开关A导通，并保持整个周期，然后开关A和B交替。如同典型的BUCK电路，开关A的占空比增加，直到允许的最大占空比DMAX，由下式给出：

升降压区域（VIN = VOUT）

当VIN接近VOUT时，控制器进入BUCK-BOOST区域，图4示出在此区域的典型波形，在时钟周期开始时，如果控制器由B和D导通开始，控制器首先工作在BUCK区，当ICMP触动，开关B关断，开关A导通，在120。时钟相位处，开关C导通，LTC3789开始工作为BOOST工作，直到ICMP触动。然后，开关D在剩余的时钟周期内导通，如果控制器令开关A和C导通，首先工作在BOOST状态，直到ICMP触动开关D导通，在120。开关B也导通，使其又工作在BUCK状态，然后，ICMP触动，关断开关B，而开关A导通，直到此周期结束。

下图显示了升压区域的典型波形。如果VIN接近输出电压，将进入到降压-升压区域。

轻负载电流运行

LTC3789可以启用脉冲跳跃模式和强制连续导通模式。要选择强制连续模式，MODE/PLLIN引脚电压连接到低于0.8V（例如SGND）。要选择脉冲跳跃模式，MODE/PLLIN引脚连接到INTVCC.

当LTC3789进入脉冲跳跃模式，在升压区域，同步开关管D保持关闭期间，反向电流通过开关管A检测。电流比较器ICMP在极轻负载时，可能会保持几个周期并迫使开关管C脱扣到保持关闭的周期数相同（即：跳脉冲）。在降压区域，电感上的电流不允许被反向。同步开关管B保持关闭时，检测电感上的反向电流。电流比较器ICMP在极轻负载时，可能会保持不被脱扣，开关管A保持关闭的周期数相同。同步开关B在跳过周期内也处于关闭状态。在降压 - 升压型区域，控制器工作在升压和降压区域，在一个时钟周期交替，如连续运行。在降压 - 升压型区域允许少量的反向电流，以减小纹波。出于同样的原因，一个连续升压和降压的窄带，被允许在降压-升压区域的高和低线区域末端。

输出过压保护

如果输出电压是比VFB电阻分压器的分压值要高，LTC3789将根据运行模式和运行区域做出响应。在连续导通模式下，LTC3789将灌电流到输入端。如果输入电源有能力吸收电流，LTC3789将允许多达约160mV/RSENSE的电流灌向输入端。在脉冲跳跃模式和在降压或升压的区域，开关将被停止输出并且输出保持高阻。在脉冲跳跃模式和降压升压区域以及相邻连续升压区域的窄带，灌电流通过开关管A限制在约为40mV/（开关管A的导通电阻）RDS（ON），如果达到该值，开关管将停止并且输出会上升。在脉冲跳跃模式并且在狭窄的连续降压区域和相邻的降压-升压区域，灌电流输入通过RSENSE的是有限的，约为40mV/RSENSE。

恒流调节

LTC3789提供了一个输入或输出电流的恒定电流调节环路。一个靠近输入或者输出滤波电容的电流检测电阻检测输入输出电流。当电流超过设定的电流限制值时，ITH引脚上的电压将被拉低，以维持所需的最大输入输出电流。输入电流限制功能可防止输入的直流电源过载，而输出电流限制提供了一个给电池充电的或者LED驱动电源的模块。它也可以作为恒定电压调节应用的一个额外的电流限制保护。输入/输出电流限制有一个GND到VOUT（或VIN）最大绝对值的工作电压范围。

选择频率及锁相环

选择开关频率时是在效率和元件尺寸之间折扣，低的工作频率可以提高效率，减少MOSFET开关损耗，但需要大的电感及电容以便作到低纹波电压。LTC3789的开关频率由FREQ端选择，如果MODE/PLLIN端不用外部时钟源驱动，FREQ端可用来调节控制器的频率，范围为200KHz~600KHz。

开关频率由FREQ端上的电压决定，因为这里有一个精密的10μA电流流出FREQ端，用户可以用外部接一支电阻到GND调节控制器频率。在应用信息部分提供一个曲线，它给出FREQ端电压和开关频率之间的关系。

一个锁相环（PLL）集成在LTC3789中去同步内部振荡器到外部时钟源频率。它由MODE/PLLIN端送入，外同步时控制器工作在强制连续模式，PLL滤波器网络集成在LTC3789内部，PLL能够锁在200KHz~600KHz范围内的任何频率，频率设置电阻总会决定控制器初始工作频率，然后锁定在外时钟频率。

电源就绪（PGOOD引脚）

PGOOD引脚被连接到内部一个N沟道MOSFET的开漏输出引脚。当VFB引脚电压不在内部的0.8V参考电压±10%时，PGOOD引脚将被拉低。当RUN引脚电压低于1.22V或者LTC3789在软启动阶段，PGOOD引脚也会被拉低。当VFB引脚电压进入±10%调节窗口时，有一个状态良好的内部20US的电源，或者当VFB引脚电压退出±10%调节窗口时，有一个状态不良的内部20US的电源。PGOOD引脚允许由一外部电阻上拉到INTVCC或者一个高达6V外部电源。

短路保护，电流限制和电流限值折返保护

控制器的最大电流阀值ITH引脚上的钳位电压限制。在每一个升压周期，检测到的最大峰值电压被限制140mV。在每一个降压周期，检测到的峰谷电压被限制在90mV。在降压升压区域，仅有在升压区域相同的阀值限制峰值检测电压。

当LTC3789输出短路到地的时候，LTC3789内部电流折返有助于限制限制负载电流。如果输出低于其标称输出电平的50％，那么最大感应的电压逐步降低，从它的最大值降到最大值的三分之一。折返电流限制在软启动期间被禁用。在短路条件下，在LTC3789将以一个非常低的占空比的降压运行，并通过跳过周期的电流限制。在这种情况下，同步开关B将消耗大部分功率（但低于在正常运行）。