LTC1772：高效降压DC/DC转换器的设计与应用

在电子设备的电源设计中，高效、稳定且紧凑的电源解决方案至关重要。今天，我们就来深入探讨一下Linear Technology公司的LTC1772恒频电流模式降压DC/DC转换器，以及基于它的DC270演示板的设计与应用。

文件下载：DC270A.pdf

一、DC270演示板概述

DC270演示板是一款采用LTC1772的降压（buck）调节器。它全部使用表面贴装元件，能在极小的电路板空间内实现高效应用，非常适合由一到两节锂离子电池或三到六节镍镉电池供电的手机和其他便携式电子产品。该演示板在输入电源为4.2V时，能够在2.5V输出电压下提供1A的电流。

二、性能参数

1. 输入输出参数

符号	参数	条件	值
(V_{IN})	输入工作电压范围	(V_{OUT} = 2.5V)	2.5V 到 9.8V
(V_{OUT})	输出电压	(I_{OUT} = 1A)	(2.5V ± 0.0625V)
(V_{FB})	反馈电压		(0.8V ± 0.02V)
(I_{Q})	典型电源电流	正常模式：(V{IN} = 4.2V)，(I{OUT} = 0mA)；关机模式：(V{IN} = 4.2V)，(V{ITH/RUN} = 0V)	220µA；7µA

2. 其他性能参数

符号	参数	条件	值
(I_{OUT})	最大输出电流	(V{IN} = 4.2V)，(V{OUT} = 2.5V)	1A（最小值）
(Delta V_{OUT})	典型负载调节率	(0mA ≤ I{OUT} ≤ 1A)，(V{IN} = 8.5V)	-1%
(V_{RIPPLE})	突发模式操作下的典型输出纹波	(I{OUT} = 100mA)，(V{IN} = 4.2V)	120mVp - p

从这些参数中我们可以看出，LTC1772在输入电压范围、输出电压精度和负载调节等方面都表现出色，能满足大多数便携式设备的电源需求。那么大家在实际应用中，是否会根据这些参数来选择合适的电源芯片呢？

三、工作原理

1. 整体架构

LTC1772采用恒频、脉宽调制、电流模式架构。电流模式操作具有启动干净、出色的线路和负载调节等优点。它能在低至约2.2V的输入电压下工作，适合由低输入电源或单节锂离子电池供电的应用。不过，外部MOSFET可能会限制最小输入电压，所以在选择MOSFET时需要谨慎。

2. 详细工作过程

在每个周期开始时，当振荡器设置锁存器（RS1）时，外部P沟道功率MOSFET导通；当电流比较器（ICOMP）重置锁存器时，MOSFET关断。ICOMP重置RS锁存器时的峰值电感电流由(I{TH}/RUN)引脚的电压控制，该电压是误差放大器EAMP的输出。连接在(V{OUT})和地之间的外部电阻分压器使EAMP接收输出反馈电压(V{FB})。当负载电流增加时，(V{FB})相对于0.8V参考电压略有下降，导致(I_{TH}/RUN)电压升高，直到平均电感电流与新的负载电流匹配。

3. 控制与保护机制

• 关机控制：将(I{TH}/RUN)引脚拉低可关闭主控制回路。释放(I{TH}/RUN)引脚后，内部0.5µA电流源对外部补偿网络充电。当(I{TH}/RUN)引脚达到0.4V时，主控制回路启用，(I{TH}/RUN)电压升至约0.7V的零电流水平。随着外部补偿网络继续充电，相应的输出电流跳闸水平随之变化，实现正常操作。
• 过压保护：比较器OVP可防止输出电压瞬态过冲超过目标输出电压的7.5%，通过关闭P沟道功率MOSFET并保持关闭状态，直到故障消除。
• 欠压锁定：为防止锂离子电池深度放电，LTC1772内置了欠压锁定电路。当输入电源电压降至约2.2V以下时，欠压锁定功能关闭P沟道MOSFET和除欠压检测块外的所有电路，欠压检测块仅消耗几微安电流。
• 短路保护：当输出短路到地时，振荡器频率降至约90kHz，使电感电流安全放电，防止电流失控。当反馈电压再次接近0.8V时，振荡器频率将逐渐恢复到设计速率。

这些控制和保护机制确保了LTC1772在各种复杂情况下都能稳定可靠地工作，大家在设计电路时，是否充分考虑了这些保护机制的作用呢？

四、工作模式

1. 突发模式（Burst Mode）

在低负载电流时，LTC1772进入突发模式操作。在这种模式下，即使(I{TH}/RUN)引脚电压较低，电感的峰值电流也会被设置为好像(V{ITH}/RUN = 1V)（在低占空比时）。如果电感的平均电流大于负载需求，(I{TH}/RUN)引脚的电压将下降。当(I{TH}/RUN)电压低于0.85V时，睡眠信号变高，关闭外部MOSFET；当(I_{TH}/RUN)电压高于0.925V时，睡眠信号变低，LTC1772恢复正常操作，下一个振荡器周期将再次开启外部MOSFET，开关周期重复。

2. 效率与负载电流关系

从效率与负载电流的典型特性曲线可以看出，在不同的输入电压下，LTC1772的效率随着负载电流的变化而变化。在实际应用中，我们可以根据负载电流的大小来选择合适的工作模式，以提高电源的效率。那么大家在实际应用中，是如何根据负载电流来优化电源效率的呢？

五、输出电压设置

在演示电路中，输出电压设置为2.5V。若需要其他输出电压，可以移除组件(R{F1} = 174k)，并使用以下公式计算替换电阻的值： [R{F1} = 80.6kleft(frac{V_{OUT}}{0.8} - 1right)]

需要注意的是，这种拓扑结构无法实现低于0.8V的输出电压。此外，较高的输出电压可能需要更换输出电容，因为安装的输出电容额定电压为6V。

六、测量与测试

1. 电压调节测量

测量电压调节时，所有测量必须在调节点进行，即LTC1772控制回路获取信息以保持输出电压恒定的点，该信息出现在LTC1772的引脚3和引脚2之间。对于高于0.8V的输出电压，引脚3的电压可以通过电阻分压器网络进行调节。测试引线应连接到演示板的输出端子，负载应尽可能靠近这些端子连接。在进行线路调节测试时，应始终观察输入端子两端的输入电压。为了确保测试的准确性，演示电路应使用稳压直流工作台电源供电，以避免直流输入的额外变化对调节测量产生误差。

2. 瞬态响应检查

开关调节器需要几个周期来响应直流负载电流的阶跃变化。当负载阶跃发生时，(V{OUT})的变化量等于((Delta I{LOAD})(ESR))，其中ESR是输出电容(C{OUT})的有效串联电阻。(Delta I{LOAD})也开始对(C{OUT})进行充电或放电，直到调节器回路适应电流变化并将(V{OUT})恢复到稳态值。在恢复期间，可以监测(V_{OUT})是否存在过冲或振铃现象，这可能表示存在稳定性问题。图1中所示的外部组件对于大多数应用来说是足够的。

七、组件选择

1. 电容器

在开关电源应用中，电容器的选择非常关键。在本电路中，(C{IN})和(C{01})是低ESR、高纹波电流的电容器。ESR（等效串联电阻）是电容器中的寄生串联电阻，通常是降低电源输出或输入纹波的限制因素。本电路中使用的电容器是专门为开关电源设计的。此外，有机半导体类型（OS - CON）电容器也是一种选择，它们具有非常低的ESR，且尺寸约为等效湿式电解电容器的一半。

2. 功率MOSFET

由于LTC1772设计用于低至约2.2V的输入电压，对于接近该电压工作的应用，需要使用亚逻辑阈值MOSFET（(R{DS(ON)})在(V{GS} = 2.5V)时得到保证）。使用这些MOSFET时，要确保LTC1772的输入电源小于绝对最大(V_{GS})额定值，通常为8V。

3. 电感器

演示板中使用的电感器来自Coilcraft，但市场上还有许多其他制造商提供的电感器可供选择。只要电感器能够支持输出直流电流并保持其电感值，就可以在本电路中使用。不同的电感器设计具有不同的物理尺寸、损耗特性和杂散场模式。因此，如果使用替代电感器，需要重新对电路进行效率表征。建议与表1中的一些电感器制造商联系，讨论具体需求，通常可以找到满足需求的标准、低成本解决方案。

4. 感测电阻

组件列表中指定的电流感测电阻由International Resistive Company制造，也可以从Dale获得替代电阻。

5. 肖特基二极管

续流二极管D1在关断期间承载负载电流，其平均电流取决于P沟道开关的占空比。在高输入电压下，二极管大部分时间导通；当(V{IN})接近(V{OUT})时，二极管仅在一小部分时间导通。二极管最恶劣的工作条件是输出短路，此时二极管必须在接近100%的占空比下安全处理(I_{PEAK})。高速开关二极管可以优化效率，肖特基二极管由于其低正向压降和快速开关时间，是一个不错的选择。

八、总结

LTC1772恒频电流模式降压DC/DC转换器以其高效、稳定和紧凑的特点，为便携式电子设备的电源设计提供了优秀的解决方案。通过合理选择组件和优化电路设计，我们可以充分发挥LTC1772的性能优势。在实际应用中，我们还需要根据具体需求进行测试和调整，以确保电源系统的可靠性和稳定性。大家在使用LTC1772进行设计时，是否遇到过一些挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。

附件：组件制造商列表

1. 电感器制造商

制造商	部件编号	联系方式
Coilcraft	D01608 Series	1102 Silver Lake Road, Cary, IL 60013；(847) 639 - 6400，FAX: (847) 639 - 1469
Coiltronics International	Econo - Pac Octa - Pac	6000 Park of Commerce Blvd., Boca Raton, FL 33487；(561) 241 - 7876，FAX: (561) 241 - 9339
API Delevan	4501 Series	270 Quaker Road, East Aurora, NY 14052；(716) 652 - 3600，FAX: (716) 652 - 4814
Sumida Electric Co. Ltd.	CD 43 Series, CDH 53 Series, CDRH62B	5999 New Wilke Rd., Suite 110, Rolling Meadows, IL 60008；(847) 956 - 0667，FAX: (847) 956 - 0702
Murata Electronics	LQN6C Series	1900 W. College Ave., State College, PA 16801 - 2799；(814) 237 - 1431，FAX: (814) 238 - 0490

2. 电容器制造商

制造商	部件编号	联系方式
AVX Corporation	TPS Series	P.O. Box 867, Myrtle Beach, SC 29578；(843) 946 - 0362，FAX: (843) 448 - 1943
Sanyo Video Components	OS - CON Series, POSCAP Series	2001 Sanyo Avenue, San Diego, CA 92173；(619) 661 - 6835，FAX: (619) 661 - 1055
Sprague	593D Series	678 Main Street, Sanford, ME 04073；(207) 324 - 4140，FAX: (207) 324 - 7223
Murata Electronics	GRM 200 Series	1900 W. College Ave., State College, PA 16801 - 2799；(814) 237 - 1431，FAX: (814) 238 - 0490