ADI LTC3873：高性能DC/DC控制器的全面解析

引言

在电子工程师的日常设计中，DC/DC控制器是至关重要的组件，它直接影响着电源系统的性能和稳定性。ADI的LTC3873作为一款优秀的DC/DC控制器，在众多应用场景中展现出了卓越的性能。本文将深入剖析LTC3873的特点、工作原理、应用信息以及相关设计要点，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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一、LTC3873的特点

1. 多种拓扑支持

LTC3873是一款恒频电流模式的DC/DC控制器，支持升压（Boost）、反激（Flyback）和SEPIC等多种拓扑结构，适用于高输入和输出电压的转换应用。这使得它在不同的电源设计中具有广泛的适用性。

2. 无电流检测电阻技术

其No RSENSE检测技术是一大亮点，该技术不仅提高了转换效率，还增加了功率密度，同时降低了整体解决方案的成本。通过直接检测功率MOSFET的电压降来实现电流检测，减少了外部元件的使用。

3. 高精度输出电压

提供±1.5%的输出电压精度，能够满足大多数对电压精度要求较高的应用场景。在正常工作时，静态电流仅为300μA，微功耗启动时仅为55μA，具有较低的功耗。

4. 灵活的软启动功能

软启动可以通过外部电容进行编程，也可以使用内部3.3ms的软启动功能。在启动过程中，通过电压斜坡限制 (V_{ITH}) ，避免了启动时的电流冲击。

5. 宽输入电压范围

使用9.3V内部并联稳压器，LTC3873可以通过电阻从高输入电压供电，也可以直接从9V或更低的低阻抗直流电压供电，具有很强的适应性。

6. 低静态电流和小封装

正常工作时静态电流低至300μA，并且提供低外形（1mm）ThinSOT和（0.75mm）2mm × 3mm DFN封装，适合对空间和功耗要求较高的应用。

二、工作原理

1. 主控制回路

在正常工作时，振荡器设置PWM锁存器使功率MOSFET导通，电流比较器复位锁存器使MOSFET关断。误差放大器将分压后的输出电压与内部1.2V参考电压进行比较，输出误差信号到 (I{TH}) 引脚。 (I{TH}) 引脚的电压设置电流比较器的输入阈值，当负载电流增加时， (V{FB}) 电压相对于参考电压下降，导致 (I{TH}) 引脚电压上升，电流比较器在更高的峰值电感电流值时触发，从而使平均电感电流上升，维持输出电压的稳定。

2. 并联稳压器

内置的并联稳压器将 (V_{CC}) 引脚的电压限制在约9.3V，只要并联稳压器的吸收电流不超过25mA。这使得LTC3873可以使用超过其绝对最大额定值的各种供电方案。

3. 启动/关断机制

LTC3873有两种关断机制： (V{CC}) 电源引脚电压的欠压锁定（UVLO）和RUN/SS引脚的阈值控制。当 (V{CC}) 引脚电压超过 (V{TURNON}) （标称8.4V）时，LTC3873开始工作；当 (V{CC}) 电压下降到 (V{TURNOFF}) （标称4V）时，欠压锁定将使LTC3873关断。RUN/SS引脚可以驱动到 (V{SHDN}) （标称0.7V）以下，强制LTC3873进入关断状态。

4. 轻载操作

在非常轻的负载电流条件下， (I_{TH}) 引脚电压接近0.85V的零电流水平。随着负载电流进一步减小，电流比较器输入的内部偏移将确保电流比较器保持触发状态，调节器开始跳周期以维持调节，从而在轻负载下保持恒定频率，降低输出纹波、可听噪声和射频干扰，同时提高轻负载效率。

5. 电流检测

在开关导通期间，控制电路将电流检测元件上的最大电压降限制在不同的值，具体取决于IPRG引脚的连接方式。随着占空比的增加，最大电流检测电压会相应降低。

三、应用信息

1. (V_{CC}) 偏置电源

(V{CC}) 引脚必须通过一个至少10μF的陶瓷或钽电容旁路到GND引脚，以提供MOSFET栅极驱动器所需的高瞬态电流。LTC3873可以采用多种供电方案，如通过电阻连接输入电压和 (V{CC}) 引脚，或直接从输入或输出电压供电。在某些情况下，还可以使用反激变压器的偏置绕组提供偏置电源。

2. 斜率补偿

LTC3873内置了内部斜率补偿，以稳定控制回路，防止次谐波振荡。也可以通过从SW引脚注入斜坡电流到外部斜率补偿电阻来增加斜率补偿。不过，当使用 (R_{DS(ON)}) 检测技术时，不建议添加外部斜率补偿，因为SW引脚的振铃会干扰微小的斜率补偿电流。

3. 输出电压编程

输出电压通过电阻分压器设置，公式为 (V{0}=1.2V cdot(1+frac{R2}{R1})) 。选择R1和R2的电阻值时，应尽量大以减少从 (V{OUT}) 汲取的静态电流导致的效率损失，但要确保当 (V{OUT}) 处于调节状态时， (V{FB}) 引脚的非零输入电流引起的误差小于1%。

4. 变压器设计考虑

变压器的规格和设计是成功应用LTC3873的关键部分。在选择变压器匝数比时，用户有相对的自由度，可以根据应用需求选择简单的整数比，如1:1、2:1等。同时，要注意变压器的漏感问题，可能需要使用“缓冲器”电路来避免MOSFET漏极节点的过压击穿。

5. 功率MOSFET选择

功率MOSFET在LTC3873中起着重要作用，其参数包括漏源击穿电压 (BV{DSS}) 、阈值电压 (V{GS(TH)}) 、导通电阻 (R{DS(ON)}) 、栅源和栅漏电荷 (Q{GS}) 和 (Q{GD}) 、最大漏极电流 (I{D(MAX)}) 以及热阻 (R{TH(JC)}) 和 (R{TH(JA)}) 。在不同的 (V_{DS}) 条件下，选择合适的MOSFET可以提高效率。

6. 输出和输入电容器选择

输出电容器通常根据其等效串联电阻（ESR）选择，低ESR的陶瓷电容器常用于最小化输出纹波。输入电容器的选择相对不太关键，但在某些情况下，如电池突然连接到转换器输入时，要注意避免固态钽电容器的灾难性故障。

7. 占空比考虑

LTC3873的最大占空比典型值为80%，在反激转换器中可以防止变压器磁芯饱和，在升压转换器中限制了最大升压比或最大输出电压。在设计时，应避免极端占空比，以减少对大多数组件的电流应力。

8. 输出二极管选择

为了最大化效率，应选择具有低正向压降和低反向泄漏的快速开关二极管。输出二极管在开关关断期间导通，其承受的峰值反向电压等于调节器的输出电压。

四、典型应用

1. 5V输出非隔离电信电源

适用于电信设备的电源供应，输入电压范围为36V - 72V，输出电压为5V，最大电流为2A。

2. 9V - 15V输入，12V输出SEPIC转换器

用于需要SEPIC拓扑的应用场景，输入电压范围为9V - 15V，输出电压为12V，电流为2A。

3. 10W隔离电信转换器

满足隔离电源的需求，输入电压范围为36V - 72V，输出电压为3.3V，电流为3A。

4. 工业应用非绝缘升压转换器

适用于工业领域，输入电压范围为4.5V - 5.5V，输出电压为12V，电流为2A。

五、总结

LTC3873作为一款高性能的DC/DC控制器，具有多种优秀的特性和广泛的应用场景。在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理选择拓扑结构、元件参数，充分发挥LTC3873的优势，以实现高效、稳定的电源设计。你在使用LTC3873的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。