背景
在便攜式產(chǎn)品中使用小型、高能量密度現(xiàn)代電池技術(shù)的電源應(yīng)用必須在整個(gè)電池放電和再充電電壓范圍內(nèi)高效率工作。這給要3.3V總線電壓、由鋰離子和鋰聚合物電池供電的系統(tǒng)帶來(lái)了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。尤其是3.3V總線電壓要供應(yīng)大于0.5A的負(fù)載電流時(shí)，更是這樣。雖然降壓型轉(zhuǎn)換器擅長(zhǎng)以高效率將2.7～4.2V的鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換成較低的輸出電壓(如1.8V)，升壓型轉(zhuǎn)換器能高效率地出現(xiàn)較高的輸出電壓(如5V)，但是這兩種轉(zhuǎn)換器都不能始終出現(xiàn)3.3V的總線電壓。單端主電感轉(zhuǎn)換器(SEpIC)，級(jí)聯(lián)一個(gè)升壓和降壓型轉(zhuǎn)換器等拓?fù)淠芾萌侩姵仉娏浚鞘艿降托省⒏叱杀尽⒄及迕娣e新增、器件數(shù)較多和設(shè)計(jì)復(fù)雜性高等缺點(diǎn)的困擾。
單或兩節(jié)鋰離子電池通常用5～9V的交流適配器充電。能夠讓DC/DC轉(zhuǎn)換器直接用交流適配器取代電池來(lái)工作，縮短電池充電時(shí)間。當(dāng)然，這要求轉(zhuǎn)換器不僅能夠在最低的電池輸入電壓下工作，而且還能夠用升高的輸入電壓工作。傳統(tǒng)上，由電池供電的手持式設(shè)備直接從電池吸取功率，甚至在電池充電時(shí)也相同。這種類(lèi)型的DC/DC轉(zhuǎn)換器還要非常低的靜態(tài)電流，以在備用或空閑模式下節(jié)省電池能量。
同步降壓-升壓型控制器是理想解決方法
為由單節(jié)鋰離子電池供電的手持式設(shè)備中供應(yīng)3.3V電源軌是個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，很多公司都供應(yīng)了解決方法，凌力爾特公司的LTC3785同步降壓-升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓DC/DC控制器就是其中之一。其專(zhuān)有的降壓-升壓拓?fù)鋬H要單個(gè)電感器，就能用高于、等于或低于輸出電壓的輸入電壓以高效率出現(xiàn)固定輸出電壓。LTC3785以2.7～10V的輸入和輸出電壓工作，非常適用于單節(jié)或兩節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池，或多節(jié)堿性鎳氫金屬、鎳鎘或堿性電池。這個(gè)高度集成的控制器僅使用很少的纖巧外部組件，具有很多可編程功能，如軟啟動(dòng)、開(kāi)關(guān)頻率和限流門(mén)限電壓。
效率曲線如圖1所示的電路在同步、4開(kāi)關(guān)降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器中采用LTC3785控制器，并用2.7～10V輸入電壓、以高達(dá)96%的效率出現(xiàn)3.3V/3A固定輸出。LTC3785供應(yīng)全部N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)，為使用低RDS(ON)單封裝多電源開(kāi)關(guān)技術(shù)供應(yīng)了方便。其專(zhuān)有拓?fù)浜涂刂萍軜?gòu)利用MOSFET的RDS來(lái)檢測(cè)正向和反向限流，實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的高效率。在想要提高限流準(zhǔn)確度時(shí)，可以使用檢測(cè)電阻。另外，LTC3785能以突發(fā)模式(BurstMode)工作，將輕負(fù)載時(shí)的靜態(tài)電流降至低于100μA，這對(duì)延長(zhǎng)便攜式應(yīng)用的電池工作時(shí)間是至關(guān)重要的。LTC3785在停機(jī)時(shí)還具有真正輸出斷接能力，確保電池與系統(tǒng)負(fù)載的斷開(kāi)。
圖1降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器原理圖及其效率曲線
先進(jìn)的控制拓?fù)渥畲笙薅忍岣咝?br/>LTC3785基于標(biāo)準(zhǔn)H橋式降壓-升壓功率級(jí)，如圖2所示。它同時(shí)含有降壓和升壓開(kāi)關(guān)MOSFET，這些MOSFET連接到單個(gè)電感器上。與不斷地同時(shí)開(kāi)關(guān)所有4個(gè)MOSFET的標(biāo)準(zhǔn)降壓-升壓模式不同，LTC3785采用專(zhuān)有設(shè)計(jì)，每次只開(kāi)關(guān)兩個(gè)MOSFET。很多降壓-升壓控制電路在轉(zhuǎn)換點(diǎn)都有效率下降、電源抖動(dòng)或輸出電壓不穩(wěn)定問(wèn)題。然而，LTC3785在降壓、降壓-升壓和升壓工作區(qū)之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換，在所有工作模式下都保持低噪聲性能。這個(gè)控制電路還極大地降低了不必要的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗，最大限度地提高了轉(zhuǎn)換器的效率。
圖2電源部分方框圖和工作模式
工作模式
輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，該轉(zhuǎn)換器以降壓模式工作，開(kāi)關(guān)A和B轉(zhuǎn)換輸入電壓，開(kāi)關(guān)D保持接通，L1連接到輸出(見(jiàn)圖2)。隨著輸入電壓降低并接近輸出電壓，該轉(zhuǎn)換器接近降壓模式工作的最大占空比，電橋的升壓部分開(kāi)始開(kāi)關(guān)，進(jìn)入降壓-升壓或4開(kāi)關(guān)工作區(qū)。隨著輸入電壓進(jìn)一步降低，該轉(zhuǎn)換器進(jìn)入升壓區(qū)。開(kāi)關(guān)A以最小升壓占空比保持接通，電感器連接到輸入，開(kāi)關(guān)C和D在輸出電容器和地之間轉(zhuǎn)換電感器的輸出側(cè)，作為同步升壓轉(zhuǎn)換器工作。
實(shí)現(xiàn)更高靈活性的其他功能
LTC3785還有其他一些功能可以提高其在便攜式應(yīng)用中的可用性，例如，要極低靜態(tài)電流以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。就這類(lèi)便攜式應(yīng)用而言，該器件能夠配置成以突發(fā)模式工作，以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。在突發(fā)模式時(shí)，LTC3785向輸出供應(yīng)能量，直到輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，該器件被置于休眠狀態(tài)，對(duì)外部MOSFET的驅(qū)動(dòng)被關(guān)斷，只有關(guān)鍵電路保持有效，LTC3785消耗不到100μA電流。這期間負(fù)載電流由輸出電容器供應(yīng)。當(dāng)輸出電壓下降到低于較低的穩(wěn)壓邊沿時(shí)，該器件“醒來(lái)”，并再次開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，重新給輸出電容器充電。
通過(guò)檢測(cè)和限制MOSFETA從輸入電源吸取的輸入電流，LTC3785還供應(yīng)過(guò)載和短路保護(hù)。假如達(dá)到了用戶編程限流值，那么連接到RUN/SS引腳的軟啟動(dòng)電容器就被再次用做故障按時(shí)器并開(kāi)始放電。假如限流狀態(tài)持續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間，該轉(zhuǎn)換器將被禁止，同時(shí)啟動(dòng)復(fù)位按時(shí)器以重啟轉(zhuǎn)換器。假如LTC3785不能重啟，而且過(guò)載狀態(tài)持續(xù)，那么這種工作模式將繼續(xù)限制總的功耗。通過(guò)向RUN/SS引腳供應(yīng)一個(gè)小的電流，還可以讓該器件鎖斷而不是自動(dòng)重啟。由于外部MOSFET電阻變化，MOSFET漏源檢測(cè)一般不是非常準(zhǔn)確。假如要更嚴(yán)格的限流準(zhǔn)確度，可以新增電流檢測(cè)電阻。LTC3785還可以編程為實(shí)現(xiàn)全D級(jí)工作，以允許轉(zhuǎn)換器供應(yīng)和吸收等于限流設(shè)置點(diǎn)的電流。這是通過(guò)確定CCM引腳上的高邏輯電平信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。
內(nèi)部p溝道低壓差穩(wěn)壓器用輸入電源電壓在VCC引腳出現(xiàn)4.35V電壓。這個(gè)電壓為驅(qū)動(dòng)器和LTC3785內(nèi)部電路供電，可以供應(yīng)100mA峰值電流，該電流必須用一個(gè)最小值為4.7μF的電容器旁路到地。VCC穩(wěn)壓器可以通過(guò)肖特基二極管連接到VOUT，以供應(yīng)更高的柵極驅(qū)動(dòng)電流。
最后，LTC3785含有實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)的過(guò)壓和欠壓功能以及瞬態(tài)限制。假如檢測(cè)到輸出電壓比目標(biāo)穩(wěn)壓點(diǎn)高出9.5%，那么開(kāi)關(guān)動(dòng)作停止。然后，輸出電壓將降至更安全的水平，因?yàn)闆](méi)有能量供應(yīng)給輸出。一旦輸出充分下降，開(kāi)關(guān)動(dòng)作將重新開(kāi)始。在過(guò)壓情況下，該集成電路強(qiáng)制工作在固定頻率模式，而突發(fā)模式工作被禁止。
N溝道功率MOSFET選擇和解決方法尺寸
LTC3785要4個(gè)外部N溝道功率MOSFET，兩個(gè)用于頂部開(kāi)關(guān)，另外兩個(gè)用于底部開(kāi)關(guān)。重要參數(shù)是VBR(DSS)、VGS(TH)、RDS(ON)和IDS(MAX)。驅(qū)動(dòng)電壓用4.35VVCC電源設(shè)置。就大多數(shù)輸入電壓預(yù)計(jì)低于5V的應(yīng)用而言，可以采用低邏輯柵極門(mén)限MOSFET。另外，典型LTC3785DC/DC轉(zhuǎn)換器全部采用陶瓷輸入和輸出電容器。一個(gè)10W輸出的完整電路占板面積不到2cm2cm，電感器是最高的器件，高度為0.32cm。
