降压-升压型控制器延长手持式设备的电池工作时间

凌力尔特公司

背景

在便携式产品中利用小型、高能量密度现代电池技术的电源应用必须在整个电池放电和再充电电压范围内高效率工作。这给需要 3.3V 总线电压、由锂离子和锂聚合物电池供电的系统带来了设计挑战，尤其是 3.3V 总线电压需要提供大于 0.5A 的负载电流时，更是这样。虽然降压型转换器擅长以高效率将 2.7V 至 4.2V 的锂离子电池电压转换成较低的输出电压 (如 1.8V)，升压型转换器能高效率地产生较高的输出电压 (如 5V)，但是这两种转换器都不能为产生始终是 3.3V 的总线电压提供最佳解决方案。单端主电感转换器 (SEPIC)、级联一个升压和降压型转换器等拓扑能利用全部电池电量，但是受到低效率、高成本、占板面积增加、器件数较多和设计复杂性高等缺点的困扰。

单或两节锂离子电池通常用 5V 至 9V 的交流适配器充电。能够让 DC-DC 转换器直接用交流适配器取代电池来工作，可以缩短电池充电时间，因为电池在充电时不提供负载电流。当然，这要求转换器不仅能够在最低的电池输入电压下工作，而且还能够用升高的输入电压工作。传统上，由电池供电的手持式设备直接从电池吸取功率，甚至在电池充电时也一样。这种类型的 DC/DC 转换器还需要非常低的静态电流，以在备用或空闲模式节省电池能量。

同步降压-升压型控制器是理想解决方案

在由单节锂离子电池供电的手持式设备中提供 3.3V 电源轨是个复杂问题，凌力尔特公司的 LTC3785 同步降压-升压型开关稳压 DC/DC 控制器是解决这个问题的理想方案。其专有降压-升压拓扑仅需要单个电感器，就能用高于、等于或低于输出电压的输入电压以高效率产生固定输出电压。LTC3785 以 2.7V 至 10V 的输入和输出电压工作，非常适用于单节或两节锂离子或锂聚合物电池，或多节碱性镍氢金属、镍镉或碱性电池。这个高度集成的控制器仅使用很少的纤巧外部组件，具有很多可编程功能，如软启动、开关频率和限流门限电压。

效率曲线如图 1 所示的电路在同步、4 开关降压-升压型 DC/DC 转换器中采用 LTC3785 控制器，并用 2.7V 至 10V 输入电压、以高达 96% 的效率产生 3.3V/3A 固定输出。LTC3785 提供全部 N 沟道 MOSFET 栅极驱动，为使用低 RDS(ON) 单封装多电源开关技术提供了方便。其专有拓扑和控制架构利用 MOSFET RDS 检测正向和反向限流，实现无与伦比的高效率。在想要提高限流准确度时，可以使用检测电阻。另外，LTC3785 能以突发模式 (Burst Mode) 工作，将轻负载时的静态电流降至低于 100uA，这对延长便携式应用的电池工作时间是至关重要的。LTC3785 在停机时还具有真正输出断接能力，这样电池就与系统负载断开了。

先进的控制拓扑最大限度提高效率

LTC3785 基于标准 H 桥式降压-升压功率级，如图 2 所示。它同时含有降压和升压开关 MOSFET，这些 MOSFET 连接到单个电感器上。与不断地同时开关所有 4 个 MOSFET 的标准降压-升压模式不同，LTC3785 采用专有设计，每次只开关两个 MOSFET。很多降压-升压控制电路在转换点都有效率下降、电源抖动或输出电压不稳定问题。然而，LTC3785 在降压、降压-升压和升压工作区之间无缝转换，在所有工作模式都保持低噪声性能。这个控制电路还极大地降低了不必要的开关和传导损耗，最大限度地提高了转换器的效率。

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工作模式

输入电压高于输出电压时，该转换器以降压模式工作，开关 A 和 B 转换输入电压，开关 D 保持接通，L1 连接到输出 (见图 2)。随着输入电压降低并接近输出电压，该转换器接近降压模式工作的最大占空比，电桥的升压部分开始开关，进入降压-升压或 4 开关工作区。随着输入进一步降低，该转换器进入升压区。开关 A 以最小升压占空比保持接通，电感器连接到输入，开关 C 和 D 在输出电容器和地之间转换电感器的输出侧，作为同步升压转换器工作。

实现更高灵活性的其它功能

LTC3785 还有其它一些功能可以提高其在便携式应用中的可用性，例如，需要极低静态电流以延长电池工作时间。就这类便携式应用而言，该器件能够配置成以突发模式工作，以延长电池工作时间。在突发模式时，LTC3785 向输出提供能量，直到输出电压达到稳定状态。达到稳定状态以后，该器件被置于休眠状态，对外部 MOSFET 的驱动被关断，只有关键电路保持有效，LTC3785 消耗不到 100uA 电流。这期间负载电流由输出电容器提供。当输出电压下降到低于较低的稳压边沿时，该器件“醒来”，并再次开始进行开关操作，重新给输出电容器充电。

通过检测和限制 MOSFET A 从输入电源吸取的输入电流，LTC3785 还提供过载和短路保护。如果达到了用户编程限流值，那么连接到 RUN/SS 引脚的软启动电容器就被再次用作故障定时器并开始放电。如果限流状态持续足够长时间，该转换器将被禁止，同时启动复位定时器以重启转换器。如果 LTC3785 不能重启，而且过载状态持续，那么这种工作模式将继续限制总的功耗。通过向 RUN/SS 引脚提供一个小的电流，还可以让该器件锁断而不是自动重启。由于外部 MOSFET 电阻变化，MOSFET 漏源检测一般不是非常准确。如果需要更严格的限流准确度，可以增加电流检测电阻。LTC3785 可以编程为实现全 D 级工作，以允许转换器提供和吸收等于限流设置点的电流。这是通过确定 CCM 引脚上的高逻辑电平信号实现的。

内部 P 沟道低压差稳压器用输入电源电压在 VCC 引脚产生 4.35V 电压。这个电压为驱动器和 LTC3785 内部电路供电，可以提供 100mA 峰值电流，该电流必须用一个最小值为 4.7uF 的电容器旁路到地。VCC 稳压器可以通过肖特基二极管连接到 VOUT，以提供更高的栅极驱动电流。

最后，LTC3785 含有实现故障保护的过压和欠压功能以及瞬态限制。如果检测到输出电压比目标稳压点高出 9.5%，那么开关动作停止。然后，输出电压将降至更安全的水平，因为没有能量提供给输出。一旦输出充分下降，开关动作将重新开始。在过压情况下，该集成电路强制工作在固定频率模式，而突发模式工作被禁止。

N 沟道功率 MOSFET 选择和解决方案尺寸

LTC3785 需要 4 个外部 N 沟道功率 MOSFET，两个用于顶部开关，另外两个用于底部开关。重要参数是击穿电压 VBR(DSS)、栅极门限电压 VGS(TH)、导通电阻 RDS(ON) 和最大电流 IDS(MAX)。驱动电压用 4.35V VCC 电源设置。就大多数输入电压预计低于 5V 的应用而言，可以采用低逻辑栅极门限 MOSFET。另外，典型 LTC3785 DC/DC 转换器全部采用陶瓷输入和输出电容器。一个 10W 输出的完整电路占板面积不到 2cm x 2cm，电感器是最高的器件，高度为 0.32cm。

结论

LTC3785 非常适用于以高达 10A 的电流将锂离子或锂聚合物电池或交流适配器输入电压转换成 3.3V 电压。它在整个输入电压范围内无缝地工作，能以引脚可选的突发模式工作，以在轻负载时保持高效率。它在所有工作模式都为过压、过流和短路情况提供故障保护。它在停机时还具有真正输出断接能力，在需要中等功率 (高达 35W) DC/DC 转换器以产生可高于、等于或低于输入电压的输出电压时，它是卓越的选择，应用包括平板 PC、手持式仪表、便携式媒体播放器等以及多种由单或两节锂离子电池或多节碱性/镍氢金属电池供电的设备。