LT3587：高性能多输出电源芯片的设计与应用

在电子设备的电源设计中，如何高效、稳定地提供多组不同电压输出是一个关键问题。LT3587作为一款由凌力尔特公司（Linear Technology）推出的电源芯片，为这一问题提供了出色的解决方案。本文将详细介绍LT3587的特性、工作原理、应用信息以及典型应用电路，帮助电子工程师更好地理解和使用这款芯片。

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一、LT3587概述

1.1 特性

• 多输出应用适配：非常适合CCD、LCD、LED背光和OLED等应用，能轻松从锂离子电池产生15V（50mA）、 - 8V（100mA）和20V（20mA）的电压。
• 宽输入输出范围：输入电压范围为2.5V至6V，升压输出最高可达32V，反相输出最高可达 - 32V。
• 输出断开功能：升压通道具备输出断开功能，增强了电路的安全性和灵活性。
• 可编程功能：Boost3允许进行电压编程和/或电流编程，可实现“一线电流源”。
• 保护与封装：具有过载故障保护，通过故障I/O引脚指示；采用小型20引脚3mm×3mm QFN封装，适合空间受限的应用。

1.2 应用领域

广泛应用于数字相机、扫描仪、显示系统、PDA、手机、手持电脑等设备，以及CCD成像器偏置和一般高压电源偏置等场景。

二、工作原理

2.1 控制方案

LT3587的三个通道均采用恒定频率、电流模式控制方案，以实现输出电压和/或电流的调节。通过参考其框图，能更好地理解其工作过程。

2.2 各通道工作情况

• Boost1通道：当EN/SS1引脚电压高于200mV时，带隙基准、启动偏置和振荡器开启。在每个振荡器周期开始时，SR锁存器X1置位，功率开关Q1导通。开关电流的比例电压与稳定斜坡相加后，输入到PWM比较器A3的正端。当该电压超过A3负端的电平（由误差放大器A1设置）时，SR锁存器X1复位，Q1关断。误差放大器根据参考电压（1.22V）与反馈电压的差值，调整开关电流峰值，以保持输出电压稳定。
• 反相器通道：同样通过EN/SS1引脚使能，基本工作原理与正通道相似。SR锁存器X2在每个振荡器周期开始时置位，功率开关Q2与Q1同时导通，Q2根据自身反馈回路（由误差放大器A2和PWM比较器A4组成）关断，该通道的参考电压为地。
• Boost3通道：当EN/SS3引脚电压高于200mV时，带隙基准、启动偏置和振荡器开启。SR锁存器X3在每个振荡器周期开始时置位，功率开关Q3导通。Q3根据自身反馈回路（由误差放大器A5和PWM比较器A6组成）关断，A6负端的电平由误差放大器A5设置，是参考电压（0.8V）与(V{FB 3})和(I{FB3})两个反馈电压中的最大值的差值的放大版本。此外，还有一个单独的比较器设置Q3的最大电流限制。

2.3 输出断开功能

Boost1和Boost3通道在各自的CAP引脚和(V_{OUT})引脚之间设有输出断开功能，通过PMOS晶体管实现。当满足一定条件时，可断开负载与输入的连接，防止直流路径的形成。

三、应用信息

3.1 元件选择

• 电感选择：Boost1通道推荐使用15μH电感，Boost3通道推荐使用10μH电感，反相器通道可使用15μH或22μH电感。为提高效率，电感应在1MHz下具有低磁芯损耗和低DCR（铜线电阻），其DCR应约为对应通道开关导通电阻的一半。同时，电感的电流额定值应能承受调节过程中的峰值电流，且在无软启动时，能承受临时的高启动电流。
• 电容选择：陶瓷电容因其体积小，适合LT3587应用。推荐使用X5R和X7R类型的陶瓷电容，它们在更宽的电压和温度范围内能保持电容值稳定。大多数应用中，输入电容选用1μF即可，输出电容的取值根据通道不同而有所差异：Boost1通道为10μF，反相器通道为22μF，Boost3通道为2.2μF，反相器还需要一个2.2μF的飞跨电容，其电压额定值至少为(V{IN }+|V{NEG }|)。
• 肖特基二极管选择：选择外部二极管（(D{S 1})、(D{S 2})和(D_{S3})）时，除了要具有足够高的反向击穿电压以承受输出电压外，还需考虑正向电压降和二极管电容。推荐的肖特基二极管如RSX051VA - 30、PMEG401OCEJ等。

3.2 浪涌电流

当电源电压突然施加到(V{IN})引脚时，(V{IN})引脚与CAP引脚之间的电压差会产生浪涌电流。不同通道的浪涌电流路径不同，选择合适的电感和电容值可确保浪涌电流峰值低于肖特基二极管的额定瞬时最大电流。浪涌电流峰值可通过公式(P=frac{left(V_{V I N}-0.6right) cdot e^{frac{-1}{varphi} tan ^{-1}(varphi)}}{sqrt{frac{L}{C}}})估算。

3.3 输出电压和电流设置

通过连接反馈电阻到相应的反馈引脚，可设置各通道的输出电压和Boost3的输出电流。具体公式如下：

• (R{F B 1}=left(left(V{VOUT 1} / 1.22 Vright)-1right) cdot 88.5 k)
• (R{FB 2}=left|V{NEG}right| / 8 mu A)
• (R{V F B 3}=left(left(V{VOUT 3} / 0.8 Vright)-1right) cdot 56.3 k)
• (R{IFB 3}=200 cdotleft(0.8 V / I{VOUT3 }right))

为保证精度，建议使用高精度电阻。

3.4 软启动和启动顺序

LT3587具有两个软启动控制引脚EN/SS1和EN/SS3，分别控制Boost1和反相器、Boost3的软启动。通过连接电容到相应引脚，可实现软启动斜坡。内部测序电路会抑制反相器通道，直到Boost1的反馈电压达到约1.1V（最终电压的87%），确保Boost1输出电压接近调节值后，反相器才开始产生负电压。

3.5 故障检测和指示

LT3587具备故障检测功能，通过故障指示引脚（FLT）指示所有输出的故障情况。当至少一个通道完成软启动过程并以全电感电流自由运行时，故障检测电路启用。若任何反馈电压（(V{FB 1})、(V{FB 2})或(Max(V{VFB 3}, V{IFB 3}))）低于其调节值超过16ms，FLT引脚将拉低。故障条件会被锁存，需通过关闭并重新启动芯片来复位。

3.6 调光控制

当Boost3通道配置为升压电流调节器作为LED驱动器时，可采用两种调光控制方法：

• 使用DAC和电阻：通过DAC输出电压调整LED电流，公式为(V{OUT3 }=left(0.8 V-V{D A C-OUT }right) cdot 200 / R_{IFB 3})。
• PWM调光：通过PWM信号控制LED的亮灭，可在不改变LED颜色的情况下实现调光，且调光范围更广。

四、典型应用电路

4.1 锂离子供电的CCD成像器和白色背光LED电源

该电路使用LT3587为CCD成像器和五个白色背光LED提供电源，能满足不同电压和电流的需求。

4.2 CCD成像器和OLED显示屏驱动

为CCD成像器和OLED显示屏提供稳定的电源，同时具备软启动功能，可减少启动时的电流冲击。

4.3 通用高压电源发生器

可产生多组不同电压的输出，如15V、 - 16V、25V等，适用于多种需要高压电源的应用场景。

五、总结

LT3587是一款功能强大、性能优越的电源芯片，具有多输出、宽输入输出范围、可编程、保护功能完善等特点。通过合理选择元件、设置输出电压和电流、实现软启动和故障检测等功能，能为各种电子设备提供稳定、高效的电源解决方案。电子工程师在设计电源电路时，可根据具体应用需求，充分发挥LT3587的优势，提高产品的性能和可靠性。

你在使用LT3587进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。