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单片、同步、降压转换器LTC3414及其应用

   日期:2005-12-25     来源:中国IC技术市场网    作者:管理员    
   摘  要:LTC3414是美国凌特公司生产的新型高效DC-DC降压转换器。介绍了LTC3414的性能结构及设计实例。

    关键词:DC-DC转换器;降压;纹波;LTC3414   

    1  引言

    LTC3414是美国凌特公司生产的单片高效、固定频率、电流模式、降压型DC-DC转换器。输入电压范围2.25~5.5 V,提供4 A0.8~5 V的电压输出;使用导通电阻67 mΩ的内部同步电源开关不但提高了转换效率,而且避免使用外部肖特基二极管;可通过外接电阻或同步外部时钟设置开关频率;100%的占空比允许低电压工作,在便携    式系统中扩大了电池的寿命;OPTI-LOOP补偿提供了快速瞬态响应,进一步提高了负载和输出电容的范围。

    LTC3414既可工作在脉冲模式,也可工作在连续模式。连续模式减少噪音和频率干扰,而脉冲模式可在轻负载条件下减少充电损失从而提高效率。输出纹波可根据使用需要通过外部控制的箝位电平来调节。LTC3414的具体特点如下:

    (1)转换效率高达95%。
    (2)低静态电流(仅64μA)。
    (3)转换频率可从300k~4M Hz可调。
    (4)同步开关频率。
    (5)输入电压范围2.25~5.5 V。
    (6)输出电压精度±2%。
    (7)过温度保护。
    (8)20脚TSSOP封装。
    (9)低失调控制:100%占空比。
    (10)输出电流4 A。
    (11)调节钳位电平可选择强制连续/脉冲工作模式。
    (12)较低的内部开关导通电阻:67 mΩ。
    (13)0.8 V基准电压允许低输出电压。
    (14)输出电压监控。

    2  管脚功能

    PGND(1,10,11,20)电源地  该脚与CIN COUT的负极应尽可能靠近。

    RT(2)振荡器电阻输入脚  从该脚连接一电阻到地设置开关频率。

    SYNC/MODE(3)模式设置和外部时钟同步输入脚  依靠SVIN脚设置连续工作模式,用钳位电平设置该脚电压在0~1 V之间,设置为脉冲工作模式。

    RUN/SS(4)运行控制和软启动输入脚  该脚电压低于0.5 V时,关闭LTC3414。在关闭状态下,芯片所有功能失去作用,有小于1μA的关闭电源电流。从该脚接一电容设置钳位和满负荷工作电流的时间。

    SGND(5)信号地  所有小信号元件和补偿元件应该连接这个点,然后依次连接到PGND脚。

    NC(6)悬空脚  无内部连接。

    PVIN(7,14)电源输入脚  该脚与信号地SGND通过一电容相连。

    PGOOD(17)电源安全输出控制脚  当输出电压不在稳压点±7.55的范围内时,开通漏级逻辑输出,此时,该脚输出低电平。

    ITH误差放大器补偿脚  补偿电流随控制电压而增加。正常电压范围为0.2~1.4 V,其中0.4 V为零检测电压(零电流)。

    VFB反馈输入脚输出端经VFB连接一分压器作为反馈电压。

    3  设计步骤

    LTC3414转换器外围元件的选择由最大负载电流决定,他包括工作频率、电感值和CIN,COUT的选择。

    3.1  工作频率

    工作频率的选择要考虑转换效率和元件尺寸,较高的工作频率允许使用较低数值的电感和电容,反之,则因减少了内部开关损失而效率得到提高,但需较大的电感和电容以降低输出纹波。

    LTC3414的工作频率由连接在RT脚与地线之间的外部电阻决定,电阻值设置振荡器内部时间电容的充放电斜率电流,该电阻的计算公式为:
 
    虽然频率有可能高于4 MHz,但LTC3414的最小工作时间受最小工作占空比限制,最小工作时间典型值为110 ns,因此,最小占空比为100·110 ns·f(Hz)

    3.2  电感选择

    对于给定的输入、输出电压,电感值和工作频率决定了纹波电流,纹波电流ΔIL随VIN和VOUT增加而增加,随电感值的增加而减小。
    低纹波电流能够减小电感磁芯损耗、输出电容低等效电阻的损耗和输出电压纹波,芯片在低频、小纹波电流条件下获得最大转换效率,但这需要较大的电感值。选择纹波电流合适的考虑是:ΔIL=0.4(IM AX),输入电压VIN最大时纹波电流最大。为了保证纹波电压低于产品的最大值,电感的选择按公式(3)计算:

    电感值同样会对脉冲模式工作产生影响。当峰值电感电流下降到钳位电平设置的临界点时,开始低电流工作阶段。低电感值导致高纹波电流,造成低负载电流。同时,在一定低电流工作范围内引起转换效率降低。在脉冲工作模式,低电感也会使得脉冲频率增加。

    3.3  电感磁芯的选择

    电感值确定后,则应选择电感磁芯。实际电感磁芯损耗由一定电感值的磁芯尺寸决定,电感值对磁芯损耗的影响起决定作用。电感值增加,磁芯损耗减小,但增大电感值必然增大线圈绕线长度,这又增大了铜芯损耗。

    铁氧体磁芯有非常低的磁芯损耗和高开关频率,因此,设计主要考虑如何减少铜损和阻止饱和。铁氧体磁芯材料饱和度高,这意味着当超过设计峰值电流时,电感会迅速失去作用,这会导致电感纹波电流和输出纹波电压的迅猛增大。因此,绝不能允许磁芯饱和。

    3.4  CIN,COUT的选择

    输入电容CIN必须有滤除P沟道MOSFET功率管电源的梯形电流波的能力。为避免产生瞬间大电压,应使用具有最大RMS电流的低串联电阻输入电阻输入电容,最大RMS电流由公式(4)给出:
    公式中,有一个最大输入电压VIN=2VOUT,此时,IRM S=IOUT/2,通常在设计中使用这一极限条件,因为有效的推导都较为复杂。在低输入电压应用中,输入电容充足的容量是必须的,以便在输出负载变化时减小瞬间影响。

    输出电容COUT的选择由等效串联电阻(ESR)决定,为了减小和负载瞬间变化,同样,输出电容一定的容量保证也是必须的,以确保控制回路稳定工作。回路稳定性可通过负载瞬态响应的检测来确定。输出纹波ΔVOUT由式(5)计算:
    输入电压最大时,输出纹波最高,因为ΔIL随输入电压增大。

    3.5  输出电压编程

    输出电压通过外接分压器设置(见图1),按公式(6)计算:

    3.6  钳位电平编程

    如果SYNC/MODE脚的电压比VIN脚电压低1 V,开始脉冲模式工作。在脉冲模式期间,SYNC/MODE的电压决定钳位电平,而这一电平设置最小峰值电流IBURST。每一开关周期的IBURST按公式(7)计算:

 

    VBURST为SYNC/MODE脚电压,IBU RST可在0~7 A范围内选择。VBURST大于1 V时,设置IBURST为7 A;VBU RST小于1 V时,设置IBURST为0 A。随着输出负载电流降低,峰值电感电流减小以保持输出电压稳定。当输出负载电流要求的峰值电感电流低于IBURST时,钳位电平迫使峰值电感电流不随负载电流变化而维持IBURST不变。电感电流平均值高于负载电流时,ITH脚的电压将会减小,ITH脚电压降到150 mV时,进入睡眠模式,2个MOSFET功率管和大多数电路停止工作使功率消耗最小,当输出电压低于稳定值时,MOSFET功率管和所有电路又开始工作,IBURST由需求范围内的输出纹波决定,随着IBU RST的增加输出电压纹波和脉冲间的睡眠周期增加。钳位电压VBURST由VFB与SGND间的分压器设置。

    3.7  频率同步

    LTC3414内部振荡器能够与外部时钟信号同步。在同步期间,外部频率信号的下降沿使P沟道功率开关管导通,同步频率范围为300k~400M Hz。只有当外部频率大于电阻设置的振荡器频率时,同步才能发生,因为斜率补偿是由振荡器的RC电路产生,外部频率高于设置频率25%时,才能确保产生合适的斜率补偿。

    4  设计举例 

 因为不论在高负载电流,还是在低负载电流,转换器的转换效率都比较重要,因此考虑使用脉冲模式。首先计算时间电阻:Cour的选择必须在ESR基础上考虑满足输出电压纹波及回路稳定性所需折电容量,对于这一设计,应用22μF陶瓷电容和470μF钽电容。
CIN的选择应考虑最大电流额定值:在PVIN和SVIN脚分别接22μF和330μF钽电容可满足要求,钳位电平和输出电压可通过R1,R2,R3选定,MODE脚电压通过R2,R3设为0.49 V,0.49 V的钳位电压可设置最小电感电流

 
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