深入剖析LM2733：高性能升压转换器的设计与应用

在电子工程师的日常工作中，选择合适的升压转换器对于实现高效、稳定的电源设计至关重要。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）的LM2733升压转换器，探讨它的特性、应用以及设计要点。

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一、LM2733概述

LM2733是一款采用SOT - 23封装的开关调节器，它有1.6 MHz（“X”选项）和600 kHz（“Y”选项）两种固定频率的电流模式升压转换器。其内部集成了40 - V的DMOS FET开关，具有低(R_{DS(ON)})、宽输入电压范围（2.7 V至14 V）、低关断电流（<1 μA）等特点，能够使用小型电容和电感，实现了业界最高的功率密度。

1.1 主要特性

• 高频开关：提供1.6 MHz和0.6 MHz两种开关频率，可根据应用需求灵活选择。
• 低导通电阻：低(R_{DS(ON)})的DMOS FET开关，可降低导通损耗，提高效率。
• 大电流能力：开关电流最大可达1 A，能满足多种负载需求。
• 宽输入电压范围：2.7 V至14 V的输入电压范围，适应不同的电源环境。
• 低关断电流：关断电流小于1 μA，可有效延长电池寿命。
• 小封装：采用5引脚的SOT - 23封装，节省电路板空间。
• 保护功能：具备逐周期电流限制和热关断保护，提高系统的可靠性。
• 内部补偿：内部补偿简化了设计，减少了外部元件数量。

1.2 应用领域

LM2733适用于多种应用场景，如白色LED电流源、个人数字助理（PDA）和掌上电脑、数码相机、便携式电话和游戏设备以及本地升压调节器等。

二、LM2733的详细规格

2.1 绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
输入电源电压 ((V_{IN}))	- 0.4	14.5	V
FB引脚电压	- 0.4	6	V
SW引脚电压	- 0.4	40	V
SHDN引脚电压	- 0.4	(V_{IN}) + 0.3	V
功耗	内部限制
引脚温度（焊接，5秒）		300	°C
存储温度 ((T_{stg}))	- 65	150	°C

2.2 ESD额定值

• 人体模型（HBM）：±2000 V
• 机器模型：±200 V

2.3 推荐工作条件

参数	最小值	最大值	单位
输入电源电压 ((V_{IN}))	2.7	14	V
SHDN引脚电压	0	(V_{IN})	V
结温	- 40	125	°C

2.4 热信息

热指标	LM2733（DBV - SOT - 23，5引脚）	单位
(R_{θJA})（结到环境热阻）	210	°C/W
(R_{θJC(top)})（结到外壳顶部热阻）	122	°C/W
(R_{θJB})（结到电路板热阻）	38.4	°C/W
(ψ_{JT})（结到顶部特性参数）	12.8	°C/W
(ψ_{JB})（结到电路板特性参数）	37.5	°C/W
(R_{θJC(bot)})（结到外壳底部热阻）	n/a	°C/W

2.5 电气特性

在(V{IN}=5 V)、(V{SHDN}=5 V)、(I{L}=0 A)、(T{J}=25°C)的条件下，部分电气特性如下：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
(V_{IN})（输入电压）	- 40°C ≤ (T_{J}) ≤ +125°C		14		V
(I_{SW})（开关电流限制）	见说明	1	1.5		A
(R_{DS(ON)})（开关导通电阻）	(I_{SW}=100 mA)		500	650	mΩ
(SHDN_{TH})（关断阈值）	器件开启， - 40°C ≤ (T_{J}) ≤ +125°C	1.5			V
	器件关闭， - 40°C ≤ (T_{J}) ≤ +125°C			0.50	V
(I_{SHDN})（关断引脚偏置电流）	(V_{SHDN}=0)		0		μA
	(V_{SHDN}=5 V)		0		μA
	(V{SHDN}=5 V)， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C			2	μA
(V_{FB})（反馈引脚参考电压）	(V_{IN}=3 V)		1.230		V
	(V{IN}=3 V)， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C	1.205		1.255	V
(I_{FB})（反馈引脚偏置电流）	(V_{FB}=1.23 V)		60		nA
(I_{Q})（静态电流）	(V_{SHDN}=5 V)，开关“X”		2.1		mA
	(V{SHDN}=5 V)，开关“X”， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C			3	mA
	(V_{SHDN}=5 V)，开关“Y”		1.1		mA
	(V{SHDN}=5 V)，开关“Y”， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C			2	mA
	(V_{SHDN}=5 V)，不开关		400		μA
	(V{SHDN}=5 V)，不开关， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ +125°C			500	μA
	(V_{SHDN}=0)		0.024	1	μA
(Delta V{FB}/Delta V{IN})（FB电压线性调整率）	2.7 V ≤ (V_{IN}) ≤ 14 V		0.02		%/V

2.6 典型特性

文档中给出了多个典型特性曲线，如静态电流与温度的关系、振荡器频率与温度的关系、最大占空比与温度的关系以及效率与负载电流的关系等。这些曲线可以帮助工程师更好地了解LM2733在不同工作条件下的性能表现。

三、LM2733的工作原理

3.1 电流模式控制

LM2733采用电流模式控制，通过与开关FET串联的50 mΩ感测电阻，将与FET电流成比例的电压提供给脉冲宽度调制（PWM）比较器和电流限制放大器的输入。在每个周期开始时，S - R锁存器打开FET。随着FET电流的增加，与电流成比例的电压与斜坡发生器的斜坡电压相加后输入到PWM比较器。当该电压超过Gm放大器的输出电压时，锁存器复位，关闭FET。由于Gm放大器的信号来自反馈（采样输出电压），PWM比较器会不断调整FET的峰值电流，以保持输出电压稳定。

3.2 电流限制保护

电流限制比较器直接连接到驱动开关FET的触发器。当FET电流达到限制阈值时，FET关闭，周期终止，直到下一个时钟脉冲。无论PWM比较器的输出状态如何，电流限制输入都会终止脉冲。

3.3 带隙电压参考

Q1和Q2以及R3 - R6构成带隙电压参考，用于保持输出电压稳定。Q1和Q2中的电流相等，反馈环路会调整输出电压以维持这种平衡。因此，调节后的输出电压始终保持在与FB节点电压成比例的水平，比例由输出电阻分压器决定。

四、应用与设计要点

4.1 典型应用电路

文档中给出了基本应用电路，通过合理选择外部元件，可以实现不同的输出电压和负载电流。

4.2 设计要求

组件	LM2733 - X（低电压5 - 12 V，330 mA）	LM2733 - X（高电压20 V，170 mA）	LM2733 - Y（高电压30 V，110 mA）
R1	117 K	205 K	309 K
R2	13.3 K	13.3 K	13.3 K
Cf	220 pF	120 pF	82 pF
D1	MBR0520	MBR0530	MBR0540

4.3 详细设计步骤

4.3.1 选择外部电容

• 输出电容：对于大多数应用，4.7 μF至10 μF的单个陶瓷电容即可提供足够的输出电容。对于输出电压低于10 V的情况，需要10 μF的电容。如果需要更大的电容来改善线路支持和瞬态响应，可以并联钽电容。铝电解电容由于在高频下的自热和纹波电流问题，通常不适合用于开关频率高于500 kHz的应用。
• 输入电容：输入电容作为每次开关导通时流入线圈的电流的能量储存器，需要具有极低的ESR，因此陶瓷电容是最佳选择。TI推荐标称值为2.2 μF的电容，但也可以使用更大的值。
• 前馈补偿电容：虽然LM2733内部有补偿，但前馈电容Cf对于稳定性是必需的。推荐的零点频率(f_z)约为8 kHz，Cf可以通过公式(Cf = 1 / (2 × π × R1 × f_z))计算。

4.3.2 选择二极管

外部二极管应选用肖特基二极管。根据开关电压的不同，推荐选择不同耐压的二极管：开关电压小于15 V时，推荐使用20 - V的二极管（如MBR0520）；开关电压在15 V至25 V之间时，推荐使用30 - V的二极管（如MBR0530）；开关电压超过25 V时，推荐使用40 - V的二极管（如MBR0540）。对于平均电流超过0.5 A但小于1 A的应用，可以使用Microsemi UPS5817。

4.3.3 设置输出电压

输出电压通过外部电阻R1和R2设置。推荐R2的值约为13.3 kΩ，以建立约92 μA的分压器电流。R1可以通过公式(R1 = R2 × (V_{OUT} / 1.23 - 1))计算。

4.3.4 选择开关频率

LM2733提供1.6 MHz和600 kHz两种固定频率选项。较高的开关频率可以使电感和电容更小、更便宜，但效率会略有降低，并且电磁干扰（EMI）通常会更严重。因此，需要根据具体应用需求权衡选择。

4.3.5 计算占空比

占空比计算公式为(Duty Cycle = frac{V{OUT} + V{D_O_CE} - V{N}}{V{OUT} + V{D_O_CE} cdot V{SW}})，实际占空比会受到电路中其他功率损耗的影响，有效占空比可以近似为((eff) = (1 - Efficiency × (V{IN} / V{OUT})))。

4.3.6 选择电感值

电感值的选择需要权衡性能。较大的电感可以减少电感纹波电流，降低输出电压纹波，并且可以提供更多的负载功率。但电感值过小可能会限制输出负载电流。通常，在感兴趣的负载电流范围内，使转换器工作在“连续”模式可以获得最佳性能。

五、总结

LM2733是一款性能优异的升压转换器，具有多种特性和保护功能，适用于多种应用场景。在设计过程中，工程师需要根据具体需求选择合适的外部元件，合理设置参数，以实现高效、稳定的电源设计。希望本文对大家了解和使用LM2733有所帮助。你在使用LM2733的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。