电子工程师的宝藏——LTC3456多输出DC/DC转换器解析

在电子设计的世界里，对于为各种便携式设备供电的电源管理系统IC，工程师们一直在寻找高效、紧凑且功能丰富的解决方案。今天，我们就来深入剖析一款这样的神器——LTC3456 2 - Cell，多输出DC/DC转换器。

文件下载：LTC3456.pdf

一、LTC3456的基本概况

LTC3456是一款专门为各种便携式应用优化的完整电源管理系统IC，它能从三种电源（电池、USB或交流壁式适配器）中获取能量，提供两个独立的电源轨：一个固定的3.3V主电源和一个可调节的0.8V至 (V{BATI(MIN)}) 的内核电源。另外，它还集成了USB电源管理器、热插拔输出、低电量指示器和始终供电的 (V{MAX}) 输出等功能。

1.1 特性亮点

• 无缝切换：能够在 2 节电池、USB 和交流壁式适配器输入电源之间进行无缝切换，这在实际使用中，能让设备灵活地适应不同的供电环境，大大提高了设备的实用性。
• 多输出优势：主输出固定为 3.3V，内核输出可在 0.8V 到 (V_{BATT(MIN)}) 之间调节，热插拔输出可用于为存储卡供电，并且所有输出在关机时都会放电到地，确保了设备的安全和稳定。
• 高效高频：它采用 1MHz 的高频运行，不仅提高了效率（最高可达 92%），还能使用小型的 4mm × 4mm × 0.75mm 24 - 引脚 QFN 封装，非常适合对空间要求敏感的便携式设备。

1.2 应用领域

LTC3456的特性决定了它在众多便携式设备中都能大显身手，像GPS便携式导航仪、MP3播放器、数码相机和手持计算机等，都是它常见的应用场景。

二、LTC3456的引脚及其功能

2.1 输入相关引脚

• (V_{BATT})（引脚 4）：这是电池输入引脚，输入电压范围在 1.8V 到 3.2V 之间，需要用 1µF（或更大）的 X5R 或 X7R 型陶瓷电容进行本地旁路，以保证电源的稳定。
• USB（引脚 10）：作为 USB 输入电源引脚，其输入电流可根据 USBHP 引脚的状态限制在 100mA 或 500mA。使用时，要在该引脚和地之间串联一个 4.7µF（X5R 或 X7R 型）陶瓷电容和一个 1Ω 电阻。
• (V_{EXT})（引脚 9）：外部电源引脚，通过一个内部 0.5Ω（典型值）的 PMOS 开关连接到 USB 引脚。交流壁式适配器可以通过一个肖特基二极管连接到该引脚。同时，要在该引脚和地之间连接一个 10µF 的 X5R 或 X7R 型陶瓷电容。

2.2 输出及控制相关引脚

• (V_{INT})（引脚 15）：内部电源电压引脚，电压被稳定在 3.3V，为芯片的大部分内部电路供电。不过要注意，不要对这个输出进行过大的负载。
• (V_{MAIN})（引脚 16）：主调节器输出引脚，通过一个 0.4Ω（典型值）的 PMOS 开关在核心电压稳定 0.8ms（典型值）后连接到 (V_{INT}) 引脚，确保了外设电路总是在微处理器之后上电。
• HSO（引脚 17）：热插拔输出引脚，可用于为闪存卡供电。在 (V{INT}) 和核心输出电压稳定后，它通过一个 0.8Ω（典型值）的 PMOS 开关在 0.5ms 后连接到 (V{INT}) 引脚，并且具有短路和反向电压阻断保护功能。
• PWRKEY（引脚 19）和 PWRON（引脚 21）：PWRKEY 引脚通常连接一个瞬动按钮开关来开启 LTC3456，而 PWRON 引脚由微处理器控制，拉高时开启芯片。
• MODE（引脚 22）：用于选择突发模式（Burst Mode）或 PWM 模式。当该引脚拉高且电池供电时，芯片会在轻负载时自动进入突发模式，以提高效率；拉低时则强制进入 PWM 模式，可提供最低的输出电压纹波和电流纹波。

三、LTC3456的工作模式

3.1 电池供电模式

当使用 2 节碱性、镍镉或镍氢电池供电时，输入电池电压范围为 1.8V 到 3.2V。启用后，内部 3.3V 的 (V_{INT}) 电压通过升压调节器产生，接着核心输出（1.8V）通过降压调节器产生，最后主输出和热插拔输出在核心输出稳定后延迟上电。

3.2 交流壁式适配器供电模式

交流壁式适配器通过二极管 D1 连接到 (V{EXT}) 引脚。当 WALLFB 引脚电压高于 1.25V 时，芯片将从交流适配器获取所有电源。启用后，板载电压检测器检查 (V{EXT}) 电压，若大于 4V，(V_{INT})、核心输出、主输出和热插拔输出将按顺序上电。

3.3 USB 供电模式

LTC3456 通过内部电流限制的 0.5Ω（典型值）PMOS 开关与 USB 控制器总线接口，USBHP 引脚用于设置 USB 电流限制。当 USB 引脚电压大于 4V 且 SUSPEND 引脚为低电平时，USB 通过 PMOS 开关连接到 (V{EXT}) 引脚。当 (V{EXT}) 引脚电压高于 4V 时，(V_{INT})、核心输出、主输出和热插拔输出按顺序上电。

四、LTC3456的保护特性

4.1 输出断开和浪涌电流限制

在电池供电（升压拓扑）时，LTC3456 能实现真正的输出断开，通过断开同步 PMOS 开关的体二极管与输出的连接，使 (V_{INT}) 在关机时能接地。同时，它还具备上电时的浪涌电流限制功能，将浪涌电流调节到 600mA（典型值）。

4.2 短路保护

无论是 USB 或壁式适配器供电（降压拓扑），还是电池供电（升压拓扑），LTC3456 都能对主调节器输出提供短路保护，防止电感电流失控。

4.3 过热保护

当芯片的结温超过 150°C 时，核心、主和热插拔输出将关闭，RESET 引脚拉低。只有当管芯温度降至 150°C 以下时，核心和主输出才会恢复供电，不受 PWRKEY 和 PWRON 输入状态的影响。

五、LTC3456的设计要点

5.1 元件选择

• 电感选择：LTC3456 的高频运行允许使用小尺寸的表面贴装电感，电感值一般在 2.2µH 到 10µH 之间。电感的选择要考虑电感电流纹波（通常设置为最大电感电流的 20% - 40%）、饱和电流额定值和低 DCR（铜电阻）。文中推荐了松下、Sumida、村田和 Toko 等厂家的几款电感。
• 输出电容选择：为了最小化输出纹波电压，输出端应使用低 ESR（等效串联电阻）电容，多层陶瓷电容是不错的选择，建议使用 X7R 或 X5R 电介质，电容值在 1µF 到 22µF 之间。
• 输入电容选择：LTC3456 可由电池、USB 或交流壁式适配器供电，输入旁路电容应选择 4.7µF 或更高的 X5R 或 X7R 型陶瓷电容。但在对 USB 和交流壁式适配器输入进行旁路时，要注意陶瓷电容与电源线的杂散布线电感可能形成谐振电路，导致电压瞬变，可通过钳位输入电压或在陶瓷电容串联一个小电阻来解决。

5.2 输出电压编程

核心转换器的输出电压可以通过一个电阻分压器来设置，公式为 (V_{CORE }=0.8 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) ，选择 1% 精度的电阻可获得更好的准确性，R1 应选择 80.6k 或更小的值以提高抗噪能力。

5.3 交流适配器 UVLO 电压编程

交流壁式适配器的 UVLO 电压可以通过一个电阻分压器连接在交流壁式适配器两端来设置，公式为 (V{ADAPTER(MIN) }=1.25 Vleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) ，选择 1% 精度的电阻，确保交流适配器 UVLO 电压设置得足够高，以使 (V{EXT}>4 ~V) 。

5.4 整流二极管选择

连接 (V{EXT}) 引脚和交流适配器输入的二极管 D1，推荐使用肖特基二极管，以最小化从交流适配器到 (V{EXT}) 引脚的电压降。要选择电流额定值足够高、反向漏电流低的二极管，如 ON Semiconductor MBRM120E 或 Zetex ZLLS400。

5.5 电路板布局考虑

在 PCB 设计中，要特别注意高频率开关路径的布局，以防止电磁干扰（EMI）问题。尽量缩短和减小与开关节点引脚（SW1、SW2_BK、SW2_BST）连接的所有走线的长度和面积，将反馈引脚 FB1 和 AIN 远离开关节点。同时，QFN 封装的暴露焊盘必须连接到系统地，反馈电阻的接地连接应直接连接到接地平面。

六、设计实例分析

以一个由 2 节 AA 电池供电的 GPS 导航仪应用为例，核心输出需要 1.8V，最大负载电流 200mA；主输出需要 3.3V，最大负载电流 200mA。通过计算电感电流纹波，选择合适的电感和电容，最终设计出一个高效、稳定的电源电路，同时还给出了不同供电模式下的效率曲线。

七、总结

LTC3456 作为一款功能强大的电源管理系统 IC，凭借其丰富的功能、高效的性能和紧凑的封装，在便携式设备电源设计中具有很大的优势。不过，在实际应用中，我们需要根据具体的设计需求，合理选择元件、进行电压编程和精心布局电路板，以充分发挥其性能，并确保设备的稳定性和可靠性。各位工程师在遇到便携式设备电源设计难题时，不妨考虑一下 LTC3456，说不定它会给你带来意想不到的效果。大家在使用 LTC3456 过程中有什么独特的经验或遇到的问题，欢迎留言分享交流！