探索 LTC3246：多功能寬輸入范圍降壓 - 升壓電荷泵

引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，工程師們常常面臨著輸入電壓波動(dòng)、輸出電壓要求多樣以及對系統(tǒng)可靠性嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。LTC3246 作為一款集多種強(qiáng)大功能于一身的寬輸入范圍降壓 - 升壓電荷泵，無疑為電源設(shè)計(jì)帶來了新的解決方案。本文將深入剖析 LTC3246 的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用場景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

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LTC3246 概述

LTC3246 是一款集成了看門狗定時(shí)器的開關(guān)電容降壓 - 升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。它能夠在 2.7V 至 38V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，輸出電壓可以是固定的 3.3V、5V，也可以通過外部電阻分壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)（2.5V 至 5V）。該器件采用開關(guān)電容分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，能在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下自動(dòng)選擇最佳的轉(zhuǎn)換比，以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)壓。其具有超低 EMI 排放，專為 ISO 26262 系統(tǒng)的診斷覆蓋而設(shè)計(jì)，還具備過溫、過壓和短路保護(hù)等功能，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。

核心特性解析

寬輸入電壓范圍與低功耗

LTC3246 的工作電壓范圍為 2.7V 至 38V（絕對最大 42V），這使得它能夠適應(yīng)多種復(fù)雜的電源環(huán)境。在無負(fù)載時(shí)，其工作電流僅為 20μA，關(guān)機(jī)電流低至 1.5μA，非常適合對功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景，如汽車電子和工業(yè)設(shè)備中的低功耗電源模塊。

多模式降壓 - 升壓電荷泵

該器件具備 2:1、1:1 和 1:2 三種轉(zhuǎn)換模式，并能根據(jù)輸入電壓和負(fù)載情況自動(dòng)切換。例如，當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓的兩倍時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入 2:1 降壓模式；當(dāng)輸入電壓介于輸出電壓的兩倍和輸出電壓之間時(shí)，采用 1:1 降壓模式；而當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，則切換到 1:2 升壓模式。這種靈活的模式切換確保了在各種工況下都能實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，例如在 12V 轉(zhuǎn) 5V 的轉(zhuǎn)換中，效率可達(dá) 81%。

輸出電流與電壓調(diào)節(jié)

LTC3246 的輸出電流最大可達(dá) 500mA，能夠滿足大多數(shù)中小功率負(fù)載的需求。同時(shí)，其輸出電壓可以通過 SEL1 和 SEL2 引腳進(jìn)行靈活配置，提供固定的 3.3V、5V 輸出，或者通過外部電阻分壓器實(shí)現(xiàn) 2.5V 至 5V 的可調(diào)輸出，為不同的應(yīng)用提供了豐富的選擇。

保護(hù)與監(jiān)控功能

為了確保系統(tǒng)的可靠性，LTC3246 具備完善的保護(hù)和監(jiān)控功能。過溫保護(hù)能夠在結(jié)溫超過閾值（典型值為 175°C）時(shí)自動(dòng)關(guān)閉器件，當(dāng)結(jié)溫下降到約 165°C 時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移功能會(huì)重新啟動(dòng)。過壓和短路保護(hù)則能在輸出電壓異?；虬l(fā)生短路時(shí)，自動(dòng)限制輸出電流，保護(hù)器件不受損壞。此外，內(nèi)置的輸出電源監(jiān)控和看門狗定時(shí)電路能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況。

工作原理詳解

開關(guān)電容轉(zhuǎn)換與模式選擇

LTC3246 利用內(nèi)部的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換比來實(shí)現(xiàn)高效的 DC/DC 轉(zhuǎn)換。內(nèi)部控制電路根據(jù)輸入電壓和負(fù)載條件自動(dòng)選擇合適的轉(zhuǎn)換模式，僅需一個(gè)外部飛跨電容即可在三種模式下正常工作。通過對輸出電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定的穩(wěn)壓值時(shí)，控制電路會(huì)啟動(dòng)電荷轉(zhuǎn)移過程，確保輸出電壓的穩(wěn)定。

穩(wěn)壓與輸出阻抗計(jì)算

在穩(wěn)壓過程中，LTC3246 通過控制每個(gè)周期內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移量來最小化輸出紋波。當(dāng)輸入電壓下降到一定程度時(shí)，器件會(huì)進(jìn)入 1:2 升壓模式，此時(shí)可以根據(jù)公式 (R{OUT }=frac{2 cdot V{IN } - V{OUT }}{I{OUT }}) 計(jì)算輸出阻抗，進(jìn)而確定在特定輸入電壓下輸出電壓開始失穩(wěn)時(shí)的輸出電流。

應(yīng)用場景與電路設(shè)計(jì)

典型應(yīng)用場景

• 汽車 ECU/CAN 收發(fā)器電源：汽車電子系統(tǒng)對電源的穩(wěn)定性和可靠性要求極高，LTC3246 的寬輸入電壓范圍、低功耗和完善的保護(hù)功能使其能夠很好地滿足汽車 ECU 和 CAN 收發(fā)器的電源需求。
• 工業(yè)/電信輔助電源：在工業(yè)和電信設(shè)備中，常常面臨著復(fù)雜的電源環(huán)境和多樣的電壓需求，LTC3246 能夠?yàn)檫@些設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源支持。
• 低功率 12V 轉(zhuǎn) 5V 轉(zhuǎn)換：在很多應(yīng)用中，需要將 12V 電源轉(zhuǎn)換為 5V 電源，LTC3246 的高效轉(zhuǎn)換能力和靈活的輸出配置使其成為這類應(yīng)用的理想選擇。

輸出電壓編程

LTC3246 的輸出電壓編程非常靈活。對于固定輸出，可以將 OUTS/ADJ 引腳直接短接到 VOUT；對于可調(diào)輸出，則需要將 ADJ 引腳連接到一個(gè)由 R_A 和 RB 組成的電阻分壓器上，并通過公式 (frac{R{A}}{R{B}}=frac{V{OUT }}{1.11 V}-1) 計(jì)算電阻值。

電容選擇與布局考慮

• 輸出電容（C_OUT）：為了降低輸出紋波，建議使用低 ESR（等效串聯(lián)電阻 <0.1Ω）的陶瓷電容，電容值應(yīng)不小于 10μF。對于低輸出電壓的情況，適當(dāng)增加 C_OUT 的電容值可以提高性能。
• 輸入電容（C_IN）：為了減少輸入噪聲和紋波，建議使用低 ESR 的陶瓷電容進(jìn)行旁路?？梢圆⒙?lián)電解或鉭電容來增加總電容值，但不建議單獨(dú)使用。
• 飛跨電容（C_FLY）：飛跨電容應(yīng)使用陶瓷電容，其電容值在工作溫度范圍內(nèi)至少為 1μF，電壓額定值應(yīng)不低于 (V_{OUT } + 1V)。如果輸出電流需求不超過 100mA，電容最小值可以降低到 0.2μF。
• 布局考慮：由于 LTC3246 的開關(guān)頻率較高，瞬態(tài)電流較大，因此在 PCB 布局時(shí)需要采用真正的接地平面，并盡量縮短與所有電容的連接，以優(yōu)化性能、降低噪聲并確保在各種條件下都能正常穩(wěn)壓。

復(fù)位與看門狗功能

復(fù)位功能

LTC3246 的復(fù)位功能通過 RSTI 輸入和 RST 輸出實(shí)現(xiàn)。當(dāng) RSTI 低于閾值（典型值為 1.2V）或 VOUT 超出過壓或欠壓閾值時(shí)，RST 會(huì)被拉低。當(dāng) RSTI 高于閾值且 VOUT 處于穩(wěn)壓范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)位定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束后 RST 變?yōu)楦咦钁B(tài)。復(fù)位超時(shí)時(shí)間可以通過內(nèi)部定時(shí)器或連接到 RT 引腳的外部電容進(jìn)行配置。

看門狗功能

該器件集成了窗口式看門狗功能，能夠持續(xù)監(jiān)測應(yīng)用程序的邏輯或微處理器狀態(tài)。在 RSTI 輸入高于閾值的情況下，應(yīng)用程序需要定期切換 WDI 引腳的邏輯狀態(tài)，以清除看門狗定時(shí)器。如果 WDI 引腳的下降沿間隔不符合看門狗的上下限時(shí)間要求，看門狗定時(shí)器將進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，拉低 RST 引腳。看門狗的上下限時(shí)間可以通過連接到 WT 引腳的外部電容進(jìn)行調(diào)整。

熱管理與注意事項(xiàng)

熱管理

LTC3246 的芯片功耗會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫升高，在靜止空氣中，與 PCB 板良好的熱連接下，結(jié)溫與環(huán)境溫度的上升速率通常為 40°C/W。通過將芯片的裸焊盤（Pin 17）通過多個(gè)過孔連接到大面積的接地平面，可以顯著降低封裝和 PCB 板的熱阻。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工作條件計(jì)算最大安全工作溫度，以確保結(jié)溫不超過 150°C。

注意事項(xiàng)

在使用 LTC3246 時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 所有引腳的電壓和電流都應(yīng)在絕對最大額定值范圍內(nèi)，避免超出范圍導(dǎo)致器件損壞。
• 在進(jìn)行輸出電壓編程時(shí)，要確保電阻分壓器的電流不會(huì)對總無負(fù)載工作電流產(chǎn)生過大影響。
• 在 PCB 布局時(shí)，要盡量減少 ADJ 引腳、WT 引腳和 RT 引腳與 C+、C - 引腳之間的雜散電容，以避免影響性能。

總結(jié)

LTC3246 作為一款功能強(qiáng)大的寬輸入范圍降壓 - 升壓電荷泵，憑借其寬輸入電壓范圍、多模式轉(zhuǎn)換、低功耗、完善的保護(hù)和監(jiān)控功能以及靈活的輸出配置，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)可靠而靈活的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的需求和工作條件，合理選擇電容、進(jìn)行 PCB 布局和熱管理，以充分發(fā)揮 LTC3246 的性能優(yōu)勢，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用類似電源芯片時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。