LTC3118：高效双输入同步降压 - 升压DC/DC转换器的设计秘籍

在电子工程师的日常设计工作中，电源管理模块始终是核心环节。今天我要给大家详细介绍一款在电源转换领域表现卓越的产品——LTC3118，一款双输入、宽电压范围的同步降压 - 升压DC/DC转换器。

文件下载：LTC3118.pdf

产品关键特性速览

• 双输入与宽电压范围：支持两个独立输入电源 (V{IN1}) 和 (V{IN2})，输入电压范围为 2.2V 至 18V，输出电压范围为 2V 至 18V，无论输入电压高于、低于还是等于输出电压，都能稳定工作，适应性极强。
• 高效转换能力：能够在 (V_{IN} > 6V) 时产生 5V/2A 的输出，最高效率可达 94%，在降低功耗方面表现出色。
• 低噪声与灵活控制：采用 1.2MHz 低噪声固定频率工作模式，配合电流模式控制，确保输出稳定。同时支持 PWM 或 Burst Mode® 操作，可通过引脚进行灵活选择。
• 完善的系统特性：具备精确的独立 RUN 引脚阈值，可实现对电源的精准控制。还提供 (V{IN}) 和 (V{OUT}) 电源良好指示器，方便工程师实时监测电源状态。在睡眠模式下静态电流低至 50µA，关机模式下仅为 2µA，有效延长设备续航时间。

工作模式深度剖析

输入选择逻辑

LTC3118 的输入选择逻辑通过 SEL 引脚实现，支持理想二极管模式和 (V{IN1}) 优先级模式。当 SEL 引脚为高电平时，工作在理想二极管模式，转换器将自动选择电压较高且满足条件的输入电源；当 SEL 引脚为低电平时，工作在 (V{IN1}) 优先级模式，优先使用 (V{IN1}) 供电，若 (V{IN1}) 不满足条件，则切换至 (V_{IN2})。这种灵活的输入选择方式，为工程师在不同电源场景下提供了更多的设计选择。

PWM 模式操作

在 PWM 模式下，LTC3118 以固定的 1.2MHz 频率工作，采用电流模式控制环路。这种模式能够有效减少输出电压纹波，降低开关频率的噪声频谱。其独特的开关算法，确保在不同工作模式之间切换时无缝衔接，提高了转换效率和环路稳定性。当输入电压高于输出电压时，转换器工作在降压模式；当输入电压低于输出电压时，工作在升压模式，通过调节开关的占空比来维持输出电压的稳定。

Burst Mode 操作

当 MODE 引脚置低时，LTC3118 进入自动 Burst Mode 操作。在轻负载情况下，转换器会自动进入待机或睡眠状态，停止 PWM 开关操作，降低静态电流，提高整体功率转换效率。当输出电压下降到一定程度时，转换器会自动唤醒，恢复正常的 PWM 开关操作，维持输出电压稳定。这种智能的工作模式切换，特别适用于对功耗要求较高的应用场景。

外部元件选型要点

(V_{CC}) 电容选择

(V{CC}) 由内部低压差线性稳压器生成，建议使用 4.7µF 的低 ESR 电容进行旁路，电容应尽量靠近 (V{CC}) 引脚，并通过最短的走线连接到地。如果走线过长，可在靠近封装引脚处增加一个 0.1µF 的旁路电容，确保 (V_{CC}) 的稳定输出。

BST、电荷泵和 CM 电容选择

高侧开关需要小陶瓷电容提供足够的电荷，推荐使用 0.1µF、耐压大于 5V 的 BST 至 SW 电容，10nF、耐压大于 20V 的 CN 至 CP 电容，以及 47nF、耐压大于 20V 的 CM 至 GND 电容。这些电容的合理选择，能够保证高侧开关的正常工作，提高转换器的性能。

电感选择

电感的选择对 LTC3118 的性能影响较大。一般来说，3.3µH 的电感适用于 (V{OUT}) 高达 5V 的应用，6.8µH 适用于 (V{OUT}=12V) 的应用，10µH 适用于 (V_{OUT}=18V) 的应用。电感的饱和电流额定值应大于最坏情况下的平均电感电流加上一半的纹波电流，同时要选择低直流串联电阻的电感，以提高转换效率。

输出电容选择

为了降低输出电压纹波，应在降压 - 升压转换器的输出端连接一个低等效串联电阻（ESR）的输出电容。多层陶瓷电容是一个不错的选择，其 ESR 低且体积小。一般来说，47µF 至 100µF 的输出电容能够满足大多数 LTC3118 应用的需求。

输入电容选择

为了最小化输入电压纹波，确保 IC 的正常运行，应在 (V{IN1}) 或 (V{IN2}) 引脚附近放置一个至少 10µF 的低 ESR 旁路电容，并尽量缩短电容与引脚以及接地平面之间的走线长度。如果电源通过长引线或高 ESR 电源供电，可能需要增加一个较大值的输入电容，如 47µF 至 100µF 的电解电容与 1µF 的陶瓷电容并联。

补偿设计实战案例

LTC3118 采用平均电流架构来调节输出电压，需要对内部平均电流环路和外部电压环路进行频率补偿。内部平均电流环路的补偿已在芯片内部固定，而外部电压环路需要外部补偿组件来定制整体环路特性。

以一个典型应用为例，假设输入电压 (V{IN}=3V) 至 15V，输出电压 (V{OUT}=5V)，最大输出电流在升压模式下为 1A，降压模式下为 1A，输出电容 (C_{OUT}=100µF)（考虑直流电压偏置效应，计算时使用 66µF），电感 (L = 3.3µH)。

首先，计算最坏情况下的右半平面零点（RHPZ）频率： [RHPZ(f)=frac{V{IN}^{2} cdot R{LOAD}}{V_{OUT }^{2} cdot 2 pi cdot L}=frac{3V^{2} cdot 5Omega}{5V^{2} cdot 2 pi cdot 3.3 mu H}=87kHz]

为了避免在升压模式下因 RHPZ 导致过多的相位损失，将转换器带宽或交叉频率设置为至少比 RHPZ 频率低 4 至 5 倍，这里选择 20kHz。

通过分析功率级增益曲线，可知未补偿的功率级交叉频率高于目标值，且直流增益较低。因此，在电压放大器中添加一个零 - 极 - 极网络来增加直流增益，降低交叉频率，并减少高频下的整体增益。

经过计算和验证，选择 (R{Z}=40kΩ)，(C{P1}=1.8nF)，(C_{P2}=22pF) 作为补偿组件，实现了较好的环路性能，交叉频率在降压模式下降低到 20kHz，升压模式下降低到 10kHz，相位裕度约为 70 度，同时在直流时提供了较高的增益（>50dB），并在交叉频率以上衰减增益以避免 RHPZ 问题。

典型应用实例分享

系统电源（优先级）或 3 节锂离子电池至 5V (V_{OUT}) 调节器

该应用中，LTC3118 优先使用系统电源供电，当系统电源不满足条件时，切换至 3 节锂离子电池供电。通过自动 Burst Mode 操作，在轻负载情况下降低功耗，提高效率。

12V 壁式适配器（可用时）或 2 节锂离子电池至 12V (V_{OUT}) 调节器

在这个应用中，当 12V 壁式适配器可用时，LTC3118 使用其供电；当壁式适配器断开时，自动切换至 2 节锂离子电池供电。同样采用自动 Burst Mode 操作，确保在不同负载下都能保持高效运行。

双电池系统至 3.3V (V_{OUT})

该应用中，LTC3118 优先使用铅酸电池供电，当铅酸电池电量不足时，切换至其他电池供电。通过合理的元件选择和参数设置，能够为负载提供稳定的 3.3V 输出。

总结与展望

LTC3118 凭借其双输入、宽电压范围、高效转换、低噪声和灵活控制等特性，成为众多电源管理应用的理想选择。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择外部元件，进行精确的补偿设计，以充分发挥 LTC3118 的性能优势。同时，我们也期待未来在电源管理领域能够出现更多像 LTC3118 这样优秀的产品，为电子设备的发展提供更强大的支持。

大家在使用 LTC3118 进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流，让我们一起探讨电源管理设计的更多可能性。