單片式降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器效率高達(dá)95%

多節(jié)高容量電池在手持設(shè)備和工業(yè)儀器中變得越來(lái)越普遍，這些設(shè)備和工業(yè)儀器從各種來(lái)源接收電力。為了最大限度地延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間并支持各種電源，多電源系統(tǒng)中的穩(wěn)壓器必須能夠保持恒定的輸出電壓，即使輸入電壓源位于輸出之上、下方或等于輸出。這可以通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的電源轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)控制器IC來(lái)實(shí)現(xiàn)。更好的解決方案是使用單個(gè)降壓-升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，它提供了更小、更簡(jiǎn)單、更高效的設(shè)計(jì)，這些屬性在手持設(shè)備中至關(guān)重要。

LTC?3111 是一款單片式降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，其輸入和輸出電壓范圍為 2.5V 至 15V，并具有 1.5A 的輸出電流能力。它允許從各種電源轉(zhuǎn)換，例如單節(jié)或多節(jié)鋰離子電池、鉛酸電池、電容器組、USB 電纜或墻上適配器。

除了寬工作范圍之外，LTC3111 還具有凌力爾特專有的低噪聲降壓-升壓 PWM 控制架構(gòu)，從而有效地消除了在跨越升壓和降壓操作之間的界限時(shí)可能發(fā)生的抖動(dòng)和 EMI。這減少或消除了對(duì)系統(tǒng)中噪聲敏感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或RF電路進(jìn)行昂貴濾波或屏蔽的需求?？蛇x的突發(fā)模式操作可大幅降低電源轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流，從而延長(zhǎng)電池供電設(shè)備空閑時(shí)的工作時(shí)間。?

精確的運(yùn)行門限能夠精確設(shè)置轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通門限電壓。集成的故障保護(hù)功能包括：電流限制、熱關(guān)斷和短路保護(hù)，可在惡劣環(huán)境中提供穩(wěn)健的操作。對(duì)于元件尺寸至關(guān)重要的應(yīng)用，800kHz 默認(rèn)開關(guān)頻率可同步至 1.5MHz。

圖 3111 所示的基于 LTC1 的轉(zhuǎn)換器能夠以一個(gè) 18V 輸出產(chǎn)生 12W 的功率。解決方案占地面積小于180mm2，比基于控制器的降壓-升壓更緊湊，在類似功率水平下比復(fù)雜的雙電感SEPIC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)效率更高。主要的外部元件僅限于輸入、輸出濾波電容器和功率電感器。LTC3111 采用耐熱性能增強(qiáng)型 16 引腳 4mm × 3mm DFN 或 16 引腳 MSOP 封裝。

圖1.基于 LTC3111 的 18W 解決方案。

1節(jié)、2節(jié)和3節(jié)鋰離子電池的精確運(yùn)行閾值

LTC3111 的 RUN 引腳既可用于通過(guò)數(shù)字選擇使能 / 停用轉(zhuǎn)換器，也可用于設(shè)置一個(gè)準(zhǔn)確的用戶可編程欠壓閉鎖 （UVLO） 門限 — 通過(guò)一個(gè)電阻分壓器從 V在接地。LTC3111 的 1.2V （在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為 ±5%） 的 RUN 門限允許定制轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通門限電壓。一旦使能，在RUN引腳上引入120mV的遲滯，要求源輸入電壓下降10%，然后才能禁用電源轉(zhuǎn)換。

圖 2 示出了一款應(yīng)用電路，其中準(zhǔn)確的 RUN 引腳門限用于在由一節(jié)、兩節(jié)或三節(jié)鋰離子電池供電時(shí)打開 LTC3111 轉(zhuǎn)換器。對(duì)于單節(jié)電池情況，R 為 267k，將 LTC3111 RUN 引腳配置為在輸入電壓大于 3.3V 時(shí)接通，并在輸入電壓降至 3V 以下時(shí)關(guān)斷。

圖2.該解決方案中可使用 3111 節(jié)、<> 節(jié)和 <> 節(jié)鋰離子電池，并具有 LTC<> 的準(zhǔn)確 RUN 門限功能。

通過(guò)改變R的值，該技術(shù)可以應(yīng)用于兩個(gè)或三個(gè)串聯(lián)單元設(shè)計(jì)，如圖2的表所示。輸出電壓對(duì)緩慢斜坡V的響應(yīng)在對(duì)于單細(xì)胞情況如圖3所示。Vout在單節(jié)電池配置中，當(dāng)輸入電壓達(dá)到3.3V時(shí)導(dǎo)通，在3V時(shí)關(guān)斷。同樣，該圖可以針對(duì)2節(jié)和3節(jié)電池的情況進(jìn)行縮放，其中導(dǎo)通/關(guān)斷門限分別為6.6V/6V和9.9V/9V。精確的 RUN 功能還可以應(yīng)用于必須將操作限制在最小輸入工作電壓的電源，例如電容器組、鉛酸或鎳鎘電池。

圖3.LTC3111 利用針對(duì)單個(gè)鋰離子解決方案的準(zhǔn)確運(yùn)行來(lái)提升輸入電壓響應(yīng)。

在典型電壓下工作的單節(jié)、兩節(jié)和三節(jié)鋰離子電池設(shè)計(jì)的效率曲線如圖4所示。在所有三種電池電壓下均可實(shí)現(xiàn)大于 90% 的峰值效率。請(qǐng)注意，當(dāng)輸入電壓小于5V時(shí)，6V輸出的最大負(fù)載電流能力會(huì)降低。LTC3111 的產(chǎn)品手冊(cè)提供了性能曲線，其中顯示了針對(duì)各種輸出電壓的 PWM 和突發(fā)模式操作中的最大輸出電流能力與輸入電壓的關(guān)系，以幫助確定負(fù)載是否能夠在特定輸入范圍內(nèi)得到支持。

圖4.5節(jié)、<>節(jié)和<>節(jié)鋰離子電池的<>V輸出效率。

多個(gè)輸入源

LTC3111 的寬工作范圍使得從多個(gè)輸入電源為器件供電變得容易。圖 5 示出了 LTC4412 PowerPath 控制器 （SOT-23 封裝） 從兩個(gè)輸入源中較高者中進(jìn)行選擇的應(yīng)用。LTC4412 在所選的 P 溝道 MOSFET 兩端維持一個(gè) 20mV 正向電壓，從而將損耗降至最低。在該電路中，LTC4412 將 LTC3111 的輸入切換至一個(gè) 7.2V 鋰離子電池或 12V 墻上適配器中的較大者。

圖5.LTC4412 電源路徑?控制器選擇最高電壓輸入來(lái)為 LTC3111 轉(zhuǎn)換器供電。

基于兩個(gè)輸入源的3.3V輸出的效率曲線與負(fù)載電流的關(guān)系如圖6所示。峰值效率達(dá)到 89% 以上?？蛇x突發(fā)模式操作具有 49μA 的典型休眠電流，可在 20 倍頻程的負(fù)載電流范圍內(nèi)擴(kuò)展高效率。

圖6.LTC3111 效率與負(fù)載電流的關(guān)系 VOUT = 3.3V、VIN = 7.2V 和 12V。

LTC3111 包括用于最小化環(huán)路增益變化的電路，從而改善了線路瞬態(tài)響應(yīng)。如圖7所示，在20μs上升和下降轉(zhuǎn)換期間，采用一個(gè)22μF輸出電容和1A負(fù)載在降壓操作中，VOUT調(diào)節(jié)率保持在50mV（1.5%）以內(nèi)。

圖7.VOUT = 3.3V時(shí)的線路響應(yīng)，VIN從7.2V步進(jìn)到12V。

采用 LTC3111 的可變輸出電壓

對(duì)于諸如電機(jī)控制、照明或電源裕量測(cè)試等應(yīng)用，LTC3111 可配置為一個(gè)可變電壓電源。這可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。圖8顯示了一種方法：在FB引腳和控制電壓（VCONTROL).

圖8.LTC3111 配置為一個(gè)可變輸出電源。

編程輸出電壓可使用以下公式計(jì)算：

其中R1是連接在VOUT和FB之間的電阻，R2是從FB和地連接的電阻，R3是從FB和VCONTROL連接的電阻。

圖9顯示了工作在100Hz的0V至1.2V斜坡控制信號(hào)的輸出電壓響應(yīng)。相應(yīng)的輸出電壓擺幅為 10V 至 2.5V，從 VCONTROL 到 VOUT 提供 6.2 的反相增益。低噪聲PWM控制提供輸入信號(hào)的低失真和高質(zhì)量復(fù)制。

圖9.采用 LTC3111 的可變輸出響應(yīng)。

當(dāng)將 LTC3111 用作可變輸出電壓穩(wěn)壓器時(shí)，當(dāng) Vout> Vin（即，當(dāng)器件處于升壓或升壓模式時(shí)）。如圖10所示，轉(zhuǎn)換器的升壓比有效地降低了最大輸出電流能力。

圖 10.PWM 模式下的最大輸出電流與輸出電壓的關(guān)系VIN = 5V.

例如，V時(shí)的輸出電流能力外= 2V在大約是 V 時(shí)能力的一半外= V在.在上面的示例應(yīng)用中，輸出端施加一個(gè)固定的500mA負(fù)載，該器件能夠在所有輸出電壓下供電。為確保轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性，此應(yīng)用的補(bǔ)償值在最高升壓比V下確定在= 5V 至 V外= 10V。

總結(jié)

LTC3111 為需要擴(kuò)展輸入或輸出電壓范圍的各種應(yīng)用提供了低噪聲降壓-升壓轉(zhuǎn)換。LTC3111 能夠有效地支持高負(fù)載電流，使其成為高功率器件的理想選擇。解決方案尺寸和轉(zhuǎn)換效率得益于 90mΩ 內(nèi)部 N 溝道 MOSFET 開關(guān)和耐熱增強(qiáng)型封裝。低靜態(tài)電流突發(fā)模式操作可在數(shù)十年的負(fù)載電流內(nèi)擴(kuò)展高效率，在許多電池供電應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

審核編輯：郭婷