LTC3113：高效低噪的宽输入范围Buck - Boost DC/DC转换器

在电子设计领域，DC/DC转换器是电源管理的关键组件，特别是对于那些对电源稳定性和效率有较高要求的应用。今天，我们来详细探讨Linear Technology公司的LTC3113，一款高性能的宽输入范围Buck - Boost DC/DC转换器。

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一、产品概述

LTC3113是一款宽$V_{IN}$范围、高效、固定频率的Buck - Boost DC/DC转换器。它的独特之处在于能够在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下正常工作，这使得它在各种复杂的电源场景中都能发挥出色的性能。该转换器采用单电感低噪声架构，可提供高达3A的连续输出电流，最高效率可达96%，非常适合对噪声敏感的RF和精密测量应用。

产品特性

• 宽输入输出电压范围：输入和输出电压范围为1.8V至5.5V，能够适应多种电源和负载需求。
• 高输出电流能力：在$V{IN}>3.0V$，$V{OUT}=3.8V$时，可提供3A的连续输出电流；在$V{IN}≥1.8V$，$V{OUT}=3.3V$时，可提供1.5A的连续输出电流。
• 低噪声架构：单电感低噪声Buck - Boost架构，有效降低了电源噪声。
• 高效节能：最高效率可达96%，并支持可编程频率（300kHz至2MHz）和可选的Burst Mode®操作，在轻负载时可提高效率。
• 低功耗设计：关机电流小于1μA，内部集成软启动功能，减少了启动时的电流冲击。
• 小型封装：采用小型、热增强型的16引脚（4mm×5mm×0.75mm）DFN封装和20引脚TSSOP封装，节省了PCB空间。

应用领域

LTC3113的应用非常广泛，包括无线调制解调器、备用电源系统、便携式库存终端、便携式条形码阅读器和便携式仪器等。

二、电气特性

输入输出范围

输入工作范围为1.8V至5.5V，输出电压调整范围同样为1.8V至5.5V，能够满足大多数应用的需求。

反馈电压和电流

反馈电压在$V{BURST}=0V$时，典型值为600mV；反馈输入电流在$V{FB}=0.7V$时，最大值为50nA。

静态电流

在不同工作模式下，静态电流表现出色。Burst Mode操作时，静态电流典型值为40μA；关机时，静态电流小于1μA；活动状态下，静态电流典型值为300μA。

电流限制

输入电流限制典型值为7.8A，峰值电流限制典型值为11.1A，Burst Mode峰值电流限制典型值为1.9A，反向电流限制典型值为 - 1A。

开关电阻和占空比

NMOS开关导通电阻典型值为25mΩ至35mΩ，PMOS开关导通电阻典型值为30mΩ至40mΩ。最大占空比在Boost模式下为90%，Buck模式下为100%，最小占空比为0%。

频率和误差放大器

频率精度在$R_{T}=90.9kΩ$时，典型值为1MHz。误差放大器的开环增益典型值为100dB，源电流和灌电流分别为500μA和160μA。

逻辑阈值和软启动时间

BURST和RUN输入逻辑阈值典型值为0.7V，输入电流最大值为1μA。软启动时间典型值为2ms。

三、工作原理

振荡器和误差放大器

LTC3113的工作频率可通过连接在RT引脚和地之间的外部电阻进行编程，范围为300kHz至2MHz。误差放大器是一个高增益电压模式放大器，通过连接在VC和FB引脚之间的R - C网络进行环路补偿，以确保转换器的稳定运行。

电流限制

该转换器具有两个电流限制电路。主电流限制是一个平均电流限制电路，当输入电流超过7.8A时，会向FB引脚注入电流以降低输出电压。此外，还有一个峰值电流限制电路，当电流超过平均电流限制值的约142%时，会关闭开关A，提供额外的短路保护。当输出电压低于1.2V时，两个电流限制值会相应降低。

反向电流限制

在固定频率操作期间，开关D上的反向电流比较器会监测进入$V_{OUT}$的电流。当电流超过1A（典型值）时，开关D会在剩余的开关周期内关闭，防止Buck - Boost转换器受到过大的反向电流影响。

内部软启动

LTC3113具有独立的内部软启动电路，持续时间为2ms。在软启动期间，转换器保持调节状态，并能响应输出负载瞬变。同时，输出电压上升时间对输出电容大小和负载电流的依赖性较小。

热关断和欠压锁定

当芯片温度超过155°C时，LTC3113会自动禁用，所有功率器件关闭，开关节点进入高阻抗状态。当温度下降到约145°C时，转换器会重新启动。当电源电压低于1.6V（典型值）时，转换器会被禁用，软启动电路会复位，当输入电压上升到1.7V（典型值）以上时，转换器会重新启动。

PWM模式和Burst Mode操作

• PWM模式：当BURST引脚置低时，转换器以固定频率的PWM模式运行，可提供全输出电流。其独特的开关算法允许在Buck、Buck - Boost和Boost模式之间无缝切换，消除了电感电流的不连续性，提高了效率和稳定性。
• Burst Mode操作：当BURST引脚置高时，转换器采用可变频率开关算法，以提高轻负载时的效率并降低零负载时的待机电流。在Burst Mode操作中，电感以固定峰值幅度电流脉冲充电，因此只能提供部分最大输出电流。

四、应用信息

输出电压编程

通过连接在FB引脚的外部电阻分压器，可以设置Buck - Boost输出电压，计算公式为$V{OUT}=0.600(1+frac{R2}{R1})(V)$，其中R1连接在FB和SGND之间，R2连接在FB和$V{OUT}$之间。输出电压可在1.8V至5.5V之间调整。

电感选择

为了实现高效率，应选择低ESR的电感，并且其饱和电流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。电感的峰 - 峰电流纹波在Buck和Boost模式下会有所不同，可通过相应的公式进行计算。为了确保在无负载条件下不触发反向电流比较器，建议峰 - 峰电感纹波不超过800mA。不同的电感值会影响输出电流纹波、反馈环路稳定性和最大输出能力，同时电感的核心材料和样式也会影响其尺寸、价格和EMI特性。

输出和输入电容选择

输出电容应选择低ESR的多层陶瓷电容，以最小化输出电压纹波。电容的大小应根据所需的输出电压纹波进行选择，可通过相应的公式进行计算。输入电容建议使用至少47μF的低ESR陶瓷电容，并尽可能靠近$V_{IN}$引脚放置，以减少杂散电阻。

PCB布局考虑

由于LTC3113在高频下切换大电流，PCB布局对其性能至关重要。应尽量缩短所有高电流路径，将旁路电容靠近IC放置，并确保其接地路径最短。暴露焊盘应通过多个过孔直接连接到接地平面，以提高散热性能和功率处理能力。所有关键组件应放置在完整的接地平面上，以减少环路截面积，降低EMI和电感压降。

反馈环路闭合

LTC3113采用电压模式PWM控制，其控制 - 输出增益随工作区域（Buck、Buck - Boost、Boost）而变化。输出滤波器具有双极点响应和右半平面（RHP）零，需要进行适当的补偿以确保环路稳定。简单的Type I补偿网络可以稳定环路，但会降低带宽和瞬态响应；为了获得更高的带宽，建议使用Type III补偿网络。

五、典型应用

Li - Ion电池供电应用

将Li - Ion电池的电压转换为3.3V/3A或3.8V/3A的稳定输出，适用于各种便携式设备。

超级电容备用电源

在超级电容供电的备份电源系统中，LTC3113可以在输入电压范围为1.8V至4.5V时提供稳定的输出。

升压和降压转换

如将3.3V转换为5V/2.5A的升压转换，或3.3V转换为1.8V/5A的降压转换，同时支持输出断开功能。

脉冲负载或便携式RF功率放大器应用

在脉冲负载或便携式RF功率放大器应用中，LTC3113能够快速响应负载变化，提供稳定的电源。

六、总结

LTC3113是一款功能强大、性能出色的Buck - Boost DC/DC转换器，具有宽输入输出电压范围、高输出电流能力、低噪声、高效率等优点。在实际应用中，合理选择外部组件和优化PCB布局对于发挥其最佳性能至关重要。通过深入了解其工作原理和应用信息，电子工程师可以更好地将LTC3113应用于各种电源管理设计中。

你在使用LTC3113的过程中遇到过哪些问题？或者你对它的哪些特性最感兴趣？欢迎在评论区分享你的经验和想法。