LTC3521：高效多输出DC/DC转换器的设计与应用

在电子设备的电源设计中，如何高效、稳定地实现多电压输出是一个关键问题。LTC3521作为一款集成了1A降压 - 升压DC/DC转换器和双600mA同步降压DC/DC转换器的芯片，为我们提供了一个优秀的解决方案。下面，我们就来详细了解一下LTC3521的特点、工作原理以及应用设计。

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一、LTC3521的特性亮点

1. 多转换器集成

LTC3521集成了三个高效的DC/DC转换器，包括一个1A的降压 - 升压转换器（输出电压范围1.8V - 5.25V）和两个600mA的降压转换器（输出电压范围0.6V - VIN）。这种集成设计大大节省了电路板空间，适用于对空间要求较高的应用场景。

2. 宽输入电压范围

其输入电压范围为1.8V - 5.5V，能够适应多种电源输入，如锂电池等，增强了其在不同电源环境下的适用性。

3. 低功耗设计

在突发模式（Burst Mode）下，总静态电流仅为30μA，关机模式下电流小于2μA，有效降低了功耗，延长了电池续航时间。

4. 保护功能完善

具备热保护和过流保护功能，能够在异常情况下自动保护芯片，提高了系统的可靠性。

5. 多种封装形式

提供4mm × 4mm QFN和热增强型TSSOP两种封装，方便不同的应用需求。

二、工作原理剖析

1. 降压转换器工作模式

• PWM模式：当PWM引脚置高时，降压转换器采用恒定频率、电流模式控制架构。在每个振荡周期开始时，P沟道开关导通，直到电流波形与叠加的斜率补偿斜坡超过误差放大器输出，此时同步整流器导通，直到电感电流降至零或新的开关周期开始。在轻负载时，电感电流不连续，提高了效率。
• 突发模式：当PWM引脚置低时，降压转换器在轻负载（约15mA以下）时自动进入突发模式，在重负载时切换到PWM模式。突发模式的进入由峰值电感电流决定，其进入阈值与输入电压、输出电压和电感值有关。
• 降压工作：当输入电压接近输出调节电压时，占空比增大，最终达到100%占空比，输出电压由输入电压减去主开关和电感串联电阻上的压降决定。
• 斜率补偿：为防止高占空比时电感电流的次谐波振荡，LTC3521内部对电流检测信号添加了补偿斜坡进行斜率补偿。并且，电流限制在添加斜率补偿斜坡之前进行，使峰值电感电流限制与占空比无关。
• 短路保护：当输出短路到地时，误差放大器饱和，P沟道MOSFET开关在每个周期开始时导通，直到电流限制触发。此时，降压转换器开关频率降至250kHz，软启动电路重置，同时PMOS电流限制从1050mA降至700mA。

2. 降压 - 升压转换器工作模式

• PWM模式：当PWM引脚置高时，降压 - 升压转换器以恒定频率PWM模式工作，采用电压模式控制。其专有开关算法可在降压、降压 - 升压和升压模式之间无缝切换，且电感电流和环路特性无间断。当输入电压远大于输出电压时，工作在降压模式；当输入电压下降，逐渐过渡到降压 - 升压模式；当输入电压低于输出电压时，工作在升压模式。
• 误差放大器和补偿：降压 - 升压转换器采用电压模式误差放大器和内部补偿网络，外部电阻分压器中的R2对补偿网络的频率响应有重要影响。增大R2值可提高稳定性，但会降低瞬态响应速度；减小R2值则相反。
• 电流限制：降压 - 升压转换器有两个电流限制电路。主电流限制是平均电流限制电路，当开关A电流超过限制值时，向反馈节点注入电流，使误差放大器输出降低，从而将开关A的平均电流降至限制值附近。此外，还有一个辅助电流限制电路，当电流超过平均电流限制值的约165%时，关闭开关A，提供额外的短路保护。
• 反向电流限制：开关D上的反向电流比较器监测流入PVOUT的电感电流，当电流超过375mA（典型值）时，开关D在剩余的开关周期内关闭。
• 突发模式：当PWM引脚置低时，降压 - 升压转换器采用可变频率开关算法，以提高轻负载效率并降低零负载时的待机电流。在突发模式下，电感以固定峰值幅度电流脉冲充电，最大输出电流与输入和输出电压有关。此时，误差放大器进入低电流待机模式，以降低电源电流。
• 软启动：降压 - 升压转换器具有内部电压模式软启动电路，持续时间为600μs。在软启动期间，转换器保持调节状态，输出电压上升时间对输出电容大小和负载的依赖性较小。并且，无论PWM引脚状态如何，软启动期间转换器都强制进入PWM操作。
• PGOOD比较器：PGOOD1引脚是开漏输出，用于指示降压 - 升压转换器的状态。在突发模式下，当反馈电压低于调节电压9%时，PGOOD1输出拉低；输出电压恢复正常时，有3%的迟滞。在PWM模式下，PGOOD1的操作较为复杂，在软启动期间，反馈电压能正确跟踪输出电压，PGOOD1可用于排序；进入调节状态后，反馈电压不再跟踪输出电压，但当达到电流限制时，PGOOD1会拉低表示故障状态。此外，在过热关机、欠压锁定或SHDN1引脚拉低时，PGOOD1也会拉低。

3. 通用功能

• 热关机：当芯片温度超过150°C时，三个转换器均被禁用，所有功率器件关闭，开关节点呈高阻抗。热关机期间，三个转换器的软启动电路重置，当芯片温度降至约140°C时，转换器重新启动（如果启用）。
• 欠压锁定：当电源电压降至1.7V（典型值）以下时，三个转换器均被禁用，功率器件关闭。欠压锁定期间，软启动电路重置，当输入电压上升超过欠压锁定阈值时，转换器重新启动。

三、应用设计要点

1. 电感选择

• 降压电感：电感值影响效率和输出电压纹波。较大的电感值可降低电感电流纹波和输出电压纹波，但可能增加串联电阻。可根据所需的峰 - 峰电流纹波计算电感值，一般建议纹波电流为最大负载电流的40%（如240mA）。电感的直流电流额定值应至少等于最大负载电流加上一半的纹波电流，以防止磁芯饱和。同时，为优化效率，电感应具有低串联电阻。在空间受限的应用中，可使用较小值的电感，但会增加纹波电流并降低效率。此外，当降压转换器的占空比超过40%时，电感值必须至少为(L{MIN}=2.5 cdot V{OUT }(mu H))。
• 降压 - 升压电感：为实现高效率，应使用低ESR电感，其饱和额定值应大于最坏情况下的平均电感电流加上一半的纹波电流。不同模式下的峰 - 峰电感电流纹波可通过相应公式计算。此外，电感大小还会影响反馈环路的稳定性，在升压模式下，较大的电感可能会降低反馈环路的相位裕度，因此建议在升压区域使用的电感值小于10μH。

2. 电容选择

• 降压输出电容：应使用低ESR输出电容以最小化电压纹波，多层陶瓷电容是不错的选择。输出电容值不仅影响纹波大小，还会影响环路的交叉频率和稳定性。存在最小和最大电容值要求，电容值过小会增加环路交叉频率，使环路易受开关噪声影响；电容值过大会降低交叉频率，导致相位裕度下降。
• 降压 - 升压输出电容：同样应使用低ESR输出电容，以最小化输出电压纹波。电容应足够大，以将输出电压纹波降低到可接受的水平。输出电容值还会影响开环转换器传递函数中的谐振频率位置，为防止相位裕度下降，建议降压 - 升压输出电容的最小值为10μF。
• 输入电容：(PVIN1)和(PVIN2)引脚建议使用至少4.7μF的低ESR陶瓷电容进行旁路，电容应尽可能靠近引脚，并具有最短的接地路径。

3. 输出电压编程

• 降压输出电压：通过电阻分压器设置输出电压，公式为(V{OUT 2,3}=0.6 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right))。建议在电阻R2上并联一个前馈电容(C{FF})，以提高反馈节点的抗噪声能力。
• 降压 - 升压输出电压：同样通过电阻分压器设置，公式为(V_{OUT 1}=0.6 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right))。R2的值对反馈环路的动态特性有重要影响，可根据具体应用需求进行调整。

4. PCB布局注意事项

• 保持所有循环高电流路径尽可能短，将(PVIN1)和(PVIN2)上的旁路电容尽可能靠近芯片，并确保最短的接地路径。
• 小信号接地焊盘（GND）应单点连接到电源地，可直接将引脚短接到暴露焊盘。
• 所有粗体显示的组件及其连接应放置在完整的接地平面上。
• 每个电阻分压器的接地应直接返回小信号接地引脚（GND），以防止大循环电流干扰输出电压检测。
• 在芯片附着焊盘中使用过孔可改善转换器的热环境，尤其是当过孔延伸到PCB暴露底面的接地平面区域时。

四、典型应用案例

1. 双超级电容器备用电源

该应用可实现将双超级电容器的电压转换为3.3V（200mA）、1.8V（50mA）和1.2V（100mA）的输出，适用于需要备用电源的设备。

2. 锂电池多输出电源

将锂电池的电压转换为3.3V（800mA）、1.8V（600mA）和1.2V（600mA）的输出，并实现顺序启动，满足一些对电源启动顺序有要求的设备。

五、相关产品对比

LTC3521在多输出DC/DC转换器市场中有其独特的优势，但市场上也有其他相关产品可供选择，如LTC3100、LTC3101等。这些产品在输出电流、效率、输入电压范围等方面各有特点，工程师可根据具体应用需求进行选择。

总之，LTC3521以其高效、集成度高、功能完善等特点，为电子工程师在电源设计中提供了一个可靠的选择。在实际应用中，我们需要根据具体需求，合理选择外部组件，并注意PCB布局，以充分发挥LTC3521的性能优势。你在使用LTC3521或其他类似芯片时，遇到过哪些问题和挑战呢？欢迎在评论区分享交流。