深入剖析LTC3872-1：无RSENSE电流模式升压DC/DC控制器

引言

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。LTC3872-1作为一款无RSENSE电流模式升压DC/DC控制器，以其独特的设计和卓越的性能，在众多电源管理方案中脱颖而出。本文将深入剖析LTC3872-1的特点、工作原理、应用设计等方面，为电子工程师提供全面的参考。

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一、LTC3872-1的特点

1. 无需电流检测电阻

传统的电流检测需要使用Sense电阻，这不仅增加了成本和功耗，还占用了一定的电路板空间。LTC3872-1采用No RSENSE™架构，消除了对Sense电阻的需求，提高了效率，节省了电路板空间。

2. 宽输出电压范围

输出电压最高可达60V，能够满足多种应用场景的需求，如电信电源、汽车系统、工业控制等。

3. 恒定频率工作

以550kHz的恒定频率运行，有助于减少电磁干扰（EMI），并允许使用小型电感，降低了元件成本和电路板尺寸。

4. 软启动功能

具备内部软启动功能，同时支持可选的外部软启动，可有效限制启动时的浪涌电流，保护电路元件。

5. 可调电流限制和轻载脉冲跳过

可根据负载情况调整电流限制，在轻载时采用脉冲跳过模式，提高轻载效率。

6. 高精度电压参考

±1.5%的电压参考精度，确保了输出电压的稳定性和准确性。

7. 多种封装形式

提供低剖面（1mm）SOT - 23和2mm × 3mm DFN封装，方便不同应用场景的选择。

二、工作原理

1. 主控制回路

LTC3872-1是一款用于DC/DC升压、SEPIC和反激式转换器应用的无RSENSE恒定频率电流模式控制器。其电流控制回路可以通过检测功率MOSFET开关两端的电压降或离散Sense电阻两端的电压降来闭合。这种无RSENSE检测技术提高了效率，增加了功率密度，并降低了整体解决方案的成本。

在正常工作时，当振荡器设置RS锁存器时，功率MOSFET导通；当电流比较器复位锁存器时，功率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，并在ITH引脚输出误差信号。ITH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，FB电压相对于参考电压下降，导致ITH引脚电压上升，使电流比较器在更高的峰值电感电流值时触发，从而保持输出电压的稳定。

2. 轻载操作

在非常轻的负载电流条件下，ITH引脚电压将非常接近零电流水平（0.85V）。随着负载电流进一步减小，电流比较器输入处的内部偏移将确保电流比较器保持触发状态（即使在零负载电流时），调节器将开始跳过周期，以保持输出电压的稳定。这种行为使调节器能够在轻负载下保持恒定频率，从而降低输出纹波、可听噪声和射频干扰，同时提供高光负载效率。

三、应用设计

1. 输出电压编程

输出电压通过电阻分压器进行设置，公式为：$V_{0}=1.2V cdot (1+frac{R2}{R1})$。外部电阻分压器连接到输出端，实现远程电压检测。

2. 应用电路

基本的LTC3872-1应用电路在数据手册的首页有展示。外部元件的选择取决于负载特性和输入电源。

3. 占空比考虑

对于连续导通模式（CCM）下工作的升压转换器，主开关的占空比为：$D=(frac{V{0}+V{D}-V{IN}}{V{0}+V{D}})$，其中$V{D}$是升压二极管的正向电压。LTC3872-1的最小导通时间约为250ns，限制了最小占空比，最大占空比约为90%。

4. 峰值和平均输入电流

控制电路测量输入电流，输出电流需要反映到输入侧，以正确确定功率MOSFET的尺寸。最大平均输入电流为：$I{IN(MAX)}=frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}$，峰值输入电流为：$I{IN(PEAK)}=(1+frac{chi}{2}) cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}$，其中$chi$表示电感中峰 - 峰纹波电流相对于其最大值的百分比。

5. 电感选择

根据工作输入电压范围、工作频率和电感纹波电流，可使用公式$L=frac{V{IN(MIN)}}{Delta I{L} cdot f} cdot D{MAX}$确定电感值，其中$Delta I{L}=chi cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}$。同时，电感的最小饱和电流应满足$I{L(SAT)} geq (1+frac{chi}{2}) cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D_{MAX}}$。

6. 功率MOSFET选择

功率MOSFET在LTC3872-1中既是主开关元件，其$R{DS(ON)}$又是控制回路的电流传感元件。选择时需要考虑漏 - 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（$I{D(MAX)}$）和MOSFET的热阻（$R{TH(JC)}$和$R_{TH(JA)}$）等参数。

7. 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。二极管的峰值反向电压应等于调节器的输出电压，平均正向电流等于输出电流，峰值电流等于峰值电感电流。

8. 输出电容选择

选择输出电容时，需要考虑等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）和体电容对输出电压纹波的影响。可根据最大可接受的纹波电压，通过公式$ESR{COUT} leq frac{0.01 cdot V{0}}{I{IN(PEAK)}}$和$C{OUT} geq frac{I{O(MAX)}}{0.01 cdot V{0} cdot f}$确定ESR和体电容的值。

9. 输入电容选择

升压转换器的输入电容相对不那么关键，其大小通常在10µF到100µF之间，建议使用低ESR电容。输入电容的RMS纹波电流为：$RMS(C{IN})=0.3 cdot frac{V{IN(MIN)}}{L cdot f} cdot D_{MAX}$。

四、效率考虑

1. 效率计算

开关调节器的效率等于输出功率除以输入功率（×100%），可用公式$% Efficiency =100%-(L1 + L2 + L3 +...)$表示，其中L1、L2等是各个损耗组件占输入功率的百分比。

2. 主要损耗源

• 输入电源电流损耗：$V{IN}$引脚的电流包括直流电源电流$I{0}$和MOSFET驱动及控制电流。
• 功率MOSFET开关和导通损耗：使用功率MOSFET两端的电压降来闭合电流反馈回路，可提高效率。
• 电感损耗：等于直流输入电流的平方乘以绕组电阻。
• 升压二极管损耗：功率耗散为$P{DIODE}=I{O(MAX)} cdot V_{D}$。
• 其他损耗：包括$C{IN}$和$C{OUT}$的ESR耗散和电感铁芯损耗，通常占总额外损耗的不到2%。

五、设计示例

以输入电压3.3V，输出5V，最大负载电流2A的升压转换器为例：

1. 计算占空比：$D=(frac{V{0}+V{D}-V{IN}}{V{0}+V_{D}})=frac{5 + 0.4 - 3.3}{5 + 0.4}=38.9%$
2. 选择电感：假设电感纹波电流为最大负载电流的40%，则峰值输入电流为$I{IN(PEAK)}=(1+frac{chi}{2}) cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}=1.2 cdot frac{2}{1 - 0.39}=3.9A$，电感纹波电流为$Delta I{L}=chi cdot frac{I{O(MAX)}}{1-D{MAX}}=0.4 cdot frac{2}{1 - 0.39}=1.3A$，电感值为$L=frac{V{IN(MIN)}}{Delta I{L} cdot f} cdot D_{MAX}=frac{3.3V}{1.3A cdot 550kHz} cdot 0.39=1.8mu H$，选择Sumida的2.2µH电感（型号CEP125 - H 1ROMH）。
3. 选择功率MOSFET：假设MOSFET结温为125°C，室温下MOSFET的$R{DS(ON)}$应小于$R{DS(ON)} leq V{SENSE(MAX)} cdot frac{1-D{MAX}}{(1+frac{chi}{2}) cdot I{O(MAX)} cdot rho{T}}approx 30mOmega$，选择Si3460 DDV MOSFET。
4. 选择二极管：选择On Semiconductor的25A、15V二极管（型号MBRB2515L）。
5. 选择输出电容：通常由低ESR陶瓷电容组成。
6. 选择输入电容：选择两个22µF的Taiyo Yuden陶瓷电容（型号JMK325BJ226MM）。

六、PCB布局检查清单

在进行印刷电路板布局时，应遵循以下检查清单：

1. 肖特基二极管应紧密连接在输出电容和外部MOSFET的漏极之间。
2. 输入去耦电容（0.1µF）应紧密连接在$V_{IN}$和GND之间。
3. 从SW到开关点的走线应保持短。
4. 开关节点NGATE应远离敏感小信号节点。
5. $V{FB}$引脚应直接连接到反馈电阻，电阻分压器R1和R2必须连接在$C{out}$的正极和信号地之间。

七、典型应用

文档中给出了多个典型应用电路，包括3.3V输入、12V输出；5V输入、12V输出；5V输入、24V输出；5V输入、48V输出等不同规格的升压转换器，为工程师提供了实际设计的参考。

总结

LTC3872-1作为一款高性能的无RSENSE电流模式升压DC/DC控制器，具有诸多优点，适用于多种电源管理应用。在设计过程中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理选择外部元件，优化PCB布局，以确保系统的稳定性和效率。希望本文能够为工程师们在使用LTC3872-1进行设计时提供有益的帮助。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的设计难题呢？欢迎在评论区分享交流。