摘要

本文介紹了一款專為低壓大功率應(yīng)用設(shè)計(jì)的單芯片兩相單輸出升壓轉(zhuǎn)換器。文中重點(diǎn)介紹了它所具備的多項(xiàng)提升性能與應(yīng)用靈活性的特性。

引言

單芯片升壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒌洼斎腚妷恨D(zhuǎn)換為更高的輸出電壓，并且整體解決方案的尺寸十分緊湊。不過(guò)，當(dāng)輸出功率需求增加時(shí)，電流水平和散熱需求也會(huì)相應(yīng)提高。由于受到內(nèi)部開關(guān)的限制，這些需求往往難以得到滿足。因此，兩相升壓轉(zhuǎn)換器更加適合這類應(yīng)用場(chǎng)景。

通過(guò)讓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動(dòng)作以兩相交錯(cuò)的方式運(yùn)行，開關(guān)電流紋波可以有效降低一半。這樣不僅能夠減小電容和電感的尺寸，還能改善設(shè)備的熱性能。

LT8349是一款單芯片同步升壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置兩個(gè)以錯(cuò)相方式切換的N溝道MOSFET功率級(jí)。這些功率開關(guān)的額定參數(shù)為8 V/6 A，采用固定開關(guān)頻率工作，頻率可在300 kHz至4 MHz之間設(shè)定，也能同步至外部時(shí)鐘。同步整流技術(shù)可在寬負(fù)載范圍內(nèi)提升效率，有效降低功率損耗與散熱需求；而Stage Shedding?技術(shù)與可選的Burst Mode®模式則有助于改善輕載條件下的效率表現(xiàn)。

如果應(yīng)用場(chǎng)景要求控制電磁干擾(EMI)輻射，使用可選的擴(kuò)頻頻率調(diào)制(SSFM)功能可將噪聲降至最低。

這款I(lǐng)C的輸入范圍為2.5 V至5.5 V，適用于電池供電設(shè)備，輸出電壓可設(shè)定至最高8 V。這款兩相轉(zhuǎn)換器采用1.9 mm×2.6 mm的小型WLCSP封裝，能夠最大限度減小整體設(shè)計(jì)的占用空間。

多相操作

LT8349采用固定頻率電流模式控制方案，可實(shí)現(xiàn)出色的線路與負(fù)載調(diào)節(jié)性能。雖然兩相架構(gòu)需配置兩個(gè)電感，但這款I(lǐng)C能將電流均勻分配至兩相，并使各相開關(guān)動(dòng)作相差180°。這一設(shè)計(jì)可顯著降低電感峰值電流并減小輸出紋波。電感峰值電流由公式1確定。

其中，IOUT為平均負(fù)載電流，D為PWM占空比，?IL則為電感紋波電流。

高性能6 V/5 A電源

圖1展示了一個(gè)6 V升壓應(yīng)用，其輸入電源為2.5 V至4.5 V。當(dāng)輸入電壓為4.5 V且在RT引腳接入54.9 kΩ電阻來(lái)將開關(guān)頻率設(shè)定為2 MHz時(shí)，它可提供最大5 A的負(fù)載電流。

圖1.2.5 V至4.5 V輸入、6 V輸出的升壓轉(zhuǎn)換器

Stage Shedding

在重載條件下，LT8349作為兩相升壓轉(zhuǎn)換器工作。隨著負(fù)載電流減小，各相的電感峰值電流也隨之降低。當(dāng)峰值電流降至約1.7 A的卸載閾值ISHED,DUAL時(shí)，Stage Shedding技術(shù)被激活，器件將從兩相升壓模式切換為單相升壓模式。在此工作模式下，第二相被關(guān)閉，第一相的電感峰值電流限值將提升至ISHED,SINGLE（由公式2確定）。

隨著負(fù)載進(jìn)一步降低，可通過(guò)設(shè)置SYNC/MODE引腳，將這款I(lǐng)C設(shè)定為低IQ電流、低輸出紋波的突發(fā)模式，或固定頻率的強(qiáng)制連續(xù)模式(FCM)。Stage Shedding功能在圖2中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中展示了突發(fā)模式和FCM模式下各相電感電流的特性。

當(dāng)SYNC/MODE引腳連接至信號(hào)地(SGND)時(shí)，這款I(lǐng)C以突發(fā)模式工作，通過(guò)降低開關(guān)頻率來(lái)維持輸出調(diào)節(jié)電壓。這款I(lǐng)C將通過(guò)ISET引腳對(duì)峰值電流IBURST進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)而輸出單脈沖電流。脈沖結(jié)束后立即進(jìn)入休眠期，當(dāng)輸出端無(wú)負(fù)載時(shí)，靜態(tài)電流僅為15 μA。

當(dāng)SYNC/MODE引腳懸空時(shí)，這款I(lǐng)C在輕載條件下以FCM模式工作。在此模式下，電感電流允許變?yōu)樨?fù)值，使這款I(lǐng)C能夠在所有負(fù)載范圍內(nèi)按編程頻率進(jìn)行切換。這一特性可確保開關(guān)諧波和EMI的一致性與可預(yù)測(cè)性，但代價(jià)是輕載效率有所降低。圖3展示了突發(fā)模式和FCM模式之間的效率對(duì)比。

圖2.負(fù)載電流從高到極低時(shí)LT8349工作情況的簡(jiǎn)化示意圖。

圖3.效率及功率損耗與輸出電流的關(guān)系。

SSFM

對(duì)于EMI輻射要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景，LT8349提供了額外的資源來(lái)進(jìn)一步降低噪聲。SSFM可以通過(guò)配置SYNC/MODE引腳來(lái)選擇，并且與突發(fā)模式和FCM操作兼容。當(dāng)選擇SSFM時(shí)，內(nèi)部振蕩器頻率將在外部RT電阻的設(shè)定值與該值約25%的上浮范圍內(nèi)波動(dòng)。圖4和圖5分別展示了符合CISPR 32 B類標(biāo)準(zhǔn)的傳導(dǎo)EMI和輻射EMI結(jié)果。

圖4.CISPR 32傳導(dǎo)EMI結(jié)果。

圖5.CISPR 32輻射EMI結(jié)果。

結(jié)語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)的單相升壓轉(zhuǎn)換器，這款集成電路具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。它采用的兩相架構(gòu)與同步整流技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率，而且有助于效率提升、功耗降低與熱性能優(yōu)化，盡管采用雙電感配置，但仍保持緊湊的整體占位空間。Stage Shedding技術(shù)與突發(fā)模式可進(jìn)一步提升輕載效率，而可選的SSFM功能則有助于降低EMI輻射。此外，LT8349還集成了輸出軟啟動(dòng)與過(guò)壓鎖定保護(hù)功能，可防止下游元件因電壓過(guò)高而損壞。憑借諸多特性，這款I(lǐng)C非常適合應(yīng)用于手持設(shè)備電源及工業(yè)電源等場(chǎng)景。