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使LTC3113滿足具有挑戰性的高密度電源要求

星星科技指導員 ? 來源:ADI ? 作者:Richard Cook ? 2023-01-29 16:34 ? 次閱讀

高功率密度已成為DC/DC轉換器的主要要求,因為它們必須跟上電子設備不斷增長的功能密度。同樣,功耗是當今功能豐富、緊密封裝的設備的主要關注點,推動了對高效解決方案的需求,以最大限度地降低溫升。對于輸入電壓源可能高于或低于調節輸出電壓的應用,找到高效的緊湊型解決方案可能是一個挑戰,尤其是在高功率水平下。傳統的設計方法,例如使用雙電感SEPIC轉換器,效率相對較低,解決方案尺寸相對較大。

LTC?3113 單電感器降壓-升壓型轉換器提供了一種緊湊、高效率的替代方案。內部低電阻開關允許轉換器在纖巧的 4mm × 5mm 封裝中支持令人印象深刻的 3A 負載電流。LTC3113 提供了一個 1.8V 至 5.5V 的擴展輸入和輸出工作電壓范圍,峰值效率達到 96%。內部 PWM 控制器專為低噪聲性能而設計,可在降壓和升壓模式之間實現無縫轉換。這些功能的組合使得 LTC3113 能夠輕松滿足具有挑戰性的高密度電源要求。

圖 1 示出了一款基于 LTC3113 的 11mm × 14mm × 2.5mm 的解決方案,該解決方案可從鋰離子電池提供高達 12W 的輸出功率。這意味著功率密度為 31mW/mm3(511瓦/英寸3).完整的SEPIC設計需要兩倍的PCB面積,導致功率密度減半,效率顯著降低,從而使熱設計復雜化。

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圖1.典型應用占用 154mm2.

LTC3113 提供了多種選項來優化特定應用的性能,包括能夠在 300kHz 至 2MHz 范圍內調節工作頻率、內部軟起動、用戶可選的突發模式操作以在輕負載電流條件下提高效率,以及一系列故障保護功能,包括短路保護和熱停機功能。LTC3113 提供 4mm × 5mm DFN 和 20 引腳耐熱性能增強型 TSSOP 封裝。?

GSM應用

許多GSM應用需要在DC/DC輸出電源軌上使用昂貴的超級電容器,以支持功率放大器在傳輸突發期間施加在輸出上的臨時重負載。在許多情況下,LTC3113 的高輸出電流能力足以支持發射電流,而無需增設超級電容器。圖2顯示了RF功率放大器的這種電路和相關的典型負載瞬變,該放大器在3.8V輸出端使用標準、廉價的100μF陶瓷電容。

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圖2.脈沖負載或便攜式RF功率放大器電源和典型輸出響應。

示波器照片顯示了施加持續580μs的3A負載脈沖時3.8V輸出的響應。對于這種極端情況,輸出電壓僅下沖150mV (4.5%),并迅速恢復。負載被移除時的輸出電壓過沖也顯示出類似的響應。對于該外部負載脈沖,通過調整補償來優化瞬態響應,以最大程度地減少負載階躍的影響。

噪聲性能

包括RF傳輸在內的許多應用對開關轉換器產生的噪聲都很敏感。LTC3113 采用一種低噪聲開關架構來減少不必要的次諧波頻率,這些頻率發生在工作頻率以下,并可能干擾其他敏感電路。這些次諧波通常發生在 V在和 V外大致相等。在此區域工作的降壓-升壓轉換器通常會產生脈沖寬度和頻率抖動,這是所有四個開關在單個開關周期內改變狀態的結果。LTC3113 最大限度地減小了抖動或次諧波頻率的幅度,以滿足噪聲敏感型 RF 應用的要求。

圖 3 顯示了 LTC3113 與一款沒有 LTC3113 低噪聲架構的競爭性降壓-升壓型轉換器的最差情況頻譜比較。最壞情況是通過在輸出上放置固定的1A負載并緩慢增加或減少輸入電壓,直到觀察到轉換器頻譜中最大的諧波含量來實現的。LTC3113 在其 2MHz 的開關頻率下表現出預期的單個大幅度音調。相比之下,競爭的降壓-升壓在整個頻率范圍內表現出幾個高幅度次諧波和諧波音,表明存在明顯的脈寬抖動和潛在的噪聲干擾問題。另請注意,在整個頻率范圍內,LTC3113 的總本底噪聲比競爭產品低 10dB 至 20dB。

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圖3.LTC3113 與典型競爭產品器件的頻譜比較。

單個鋰離子電池至3.3V、10W轉換器

除了為RF功率放大器產生偏置電壓外,從輸入源(如鋰離子電池)產生3.3V電源軌是降壓-升壓轉換器的另一個常見應用。LTC3113 可在鋰離子電池的可用范圍內提供高達 10W (3.3V/3A) 的輸出功率。圖4所示為用于產生3.3V的典型應用原理圖。圖中還顯示了該應用在負載電流范圍內不同電池電壓的相關效率曲線。效率峰值為92%,效率高于80%,在60mA至3A負載范圍內實現。 突發模式操作采用可變頻率開關算法,可在較輕負載下保持高效轉換。

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圖4.鋰離子電池至 3.3V 電源和效率。

將 BURST 引腳設置為一個大于 1.2V 的電壓允許 LTC3113 在輕負載條件下進入突發模式操作,以最大限度地提高效率。對于噪聲敏感型應用,通過將BURST引腳上的電壓保持在0.3V以下,可以強制轉換器進入固定頻率操作。

備用電源系統

圖 5 示出了一款超級電容器供電的后備電源系統,其中 LTC3113 用于在一個恒定的 1.5A 負載條件下提供一個穩定的 3.3V 輸出。在該應用中,兩個系列30F超級電容器在正常工作期間充電至4.5V,以便在主電源丟失時提供所需的備用能量。

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圖5.超級電容器供電電源和典型輸出響應,負載為 1.5A。

示波器照片顯示,當僅由兩個串聯 30F 電容器供電時,LTC3113 可將輸出調節 22.5 秒。在這段時間內,電容器從初始 4.5V 放電至略低于 1.8V 的電壓 — 僅由于 LTC3113 的低輸入電壓能力,才有可能在此輸入范圍內進行輸出調節。在此示例中,輸入提供的能量為:

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輸出調節至 3.3V,恒定負載為 1.5A,持續 22.5 秒,輸出能量為:

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這表明大約87%的可用輸入能量被轉換為輸出功率。該應用的解決方案尺寸約為11mm×14mm,不包括超級電容器的面積。

結論

LTC?3113 單片式降壓-升壓型轉換器在功率密度、低噪聲操作和寬負載電流范圍內的高效率方面開辟了新的天地。LTC?3113 是電池供電型產品、后備電源系統和 RF 或其他噪聲敏感型應用的理想解決方案。

審核編輯:郭婷

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