基于LTC3780控制器的開關(guān)電源仿真和設(shè)計

摘要：首先介紹了四開關(guān)Buck-Boost控制器LTC3780的基本功能及原理，并以LTC3780為基礎(chǔ)設(shè)計了一款24～26 V／300 W直流開關(guān)電源，然后利用LINEAR公司提供的電路仿真軟件LTspiceIV對其進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上完成了PCB設(shè)計，并給出了一些PCB布局的建議。
關(guān)鍵詞：LTC3780；LTspiceIV；直流開關(guān)電源

0 引言
    開關(guān)電源以其體積小，重量輕，效率高的特點受到日益廣泛應(yīng)用。電源控制芯片也在朝著小體積、大功率、高效率的方向發(fā)展，LINEAR公司推出的四開關(guān)、電流模式、Buck-Boost同步控制器LTC3780就是一款小體積、大功率、高效率的電源控制芯片。LTC3780允許輸入電壓大于、小于或等于輸出電壓，其外接元件較少，工作效率大于95％，是自動化、通信、電池供電設(shè)備的理想選擇。

1 LTC3780的特點
    LTC3780控制器的主要特點如下：
    ·輸入電壓(Vin)：4 V～36 V；
    ·輸出電壓(Vout)：4 V～30 V；
    ·工作頻率i200 kHz～400 kHz；
    ·內(nèi)置低壓差穩(wěn)壓器(LDO)用于芯片內(nèi)部電路供電；
    ·可控制是否產(chǎn)生輸出電壓；
    ·可設(shè)置軟啟動時間；
    ·內(nèi)置過壓、過流和短路保護(hù)；
    ·同步整流時最高效率可達(dá)98％。

2 LTC3780的主要功能

    LTC3780控制器通過對FCB引腳進(jìn)行不同的電壓配置，就可使LTC3780工作在不同的工作模式：在Boost工作模式時，可配置為突發(fā)模式、非連續(xù)導(dǎo)通續(xù)模式、強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式；LTC3780控制器在Buck工作模式時，可配置為脈沖跳躍模式、非連續(xù)導(dǎo)通續(xù)模式、強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。突發(fā)模式在電池供電的移動應(yīng)用中，可提升電源轉(zhuǎn)換效率，延長系統(tǒng)連續(xù)工作時間。當(dāng)重視噪聲控制時，強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式可能是優(yōu)選方案，這是以犧牲效率為代價來實現(xiàn)可預(yù)知和容易進(jìn)行濾波的恒定頻率開關(guān)操作。脈沖跳躍模式在輕負(fù)載效率和輸出電壓紋波之間提供了一種上佳的折衷。
    LTC3780控制器的工作頻率范圍是200 kHz～400 kHz。工作頻率既可由外部振蕩器輸入，也可由內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生。當(dāng)由內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生時，只需在PLLFLTR與PLLIN引腳間接入0 V～2．4 V直流電壓，即可使內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生200 kHz～400 kHz的開關(guān)頻率；開關(guān)頻率由外部輸入時，只需在PLLIN引腳接入一時鐘源(此時PLLFLTR通過一個O．1μF瓷片電容接地)，LTC3780內(nèi)部的鎖相環(huán)電路會使開關(guān)頻率與輸入時鐘源同步。
    Vosense是電壓反饋引腳。輸出電壓通過外部反饋分壓電阻將輸出電壓信號通過內(nèi)部誤差放大器與內(nèi)部參考電壓(0．8 V)相比較，以調(diào)節(jié)MOSFET的導(dǎo)通時間，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)置值。
    SS引腳為軟啟動設(shè)置引腳。用來減小電源啟動時輸入電流的浪涌。在進(jìn)行電源設(shè)計時，SS引腳需外接電容Css以設(shè)置軟啟動時間，軟啟動時問Tss由公式(1)決定。
   
    SENSE+／SENSE-引腳為電路傳感器的正／負(fù)輸入端。應(yīng)在這兩個引腳間接一傳感電阻，此傳感電阻不但決定了最大電感峰值電流，而且也決定了電源的最大過流值。在Boost模式下的最大電感峰值電流為：
   
    INTVcc引腳為內(nèi)部6 V低壓差穩(wěn)壓器輸出端。它同時對LTC3780控制器內(nèi)部控制電路、MOSFET驅(qū)動電路供電。
    EXTVcc引腳為外部電源輸入端。EXTVcc電壓應(yīng)小于7 V，且不能大于電源輸入電壓Vin，當(dāng)EXTVcc電壓大于5．7 V時，LTC3780關(guān)斷內(nèi)部的6 V低壓差穩(wěn)壓器，由EXTVcc對內(nèi)部控制電路、MOSFET驅(qū)動電路供電。
    RUN引腳為輸出控制引腳。當(dāng)施加RUN引腳上電壓VRUN>1．5 V時，LTC3780控制器工作，VRUN<1．5 V時，LTC3780控制器關(guān)斷內(nèi)部控制開關(guān)電路，控制器處于低電流關(guān)斷狀態(tài)，此時無輸出電壓。
    STBYMD引腳為待機(jī)模式控制引腳。當(dāng)STBYMD引腳接地時，軟啟動引腳SS在內(nèi)部被拉至地，內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓控制電路不工作，INTVcc引腳無輸出，控制器不工作；STBYMD引腳開路時，允許RUN引腳去控制控制器是否工作；STBYMD引腳電壓大于1．25V時，即使VRUN<1．5 V，內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓控制電路仍工作，INTVcc引腳輸出6 V，給外部電路供電。
    ITH引腳為電流控制門限和誤差放大器的補(bǔ)償點，LTC3780控制器環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償點。
    PGOOD引腳為“電源工作正常”指示。開漏輸出，當(dāng)輸出電壓偏離規(guī)定電壓的±7．5％時，PGOOD引腳被下拉到地。
    TG1／TG2、BG1／BG2引腳分別為上端MOSFET柵極驅(qū)動端、下端MOSFET柵極驅(qū)動端。
    SW1／SW2引腳為開關(guān)節(jié)點。
    BOOST1／BOOST引腳為BOOST浮動驅(qū)動供電端。
    PGND／SGND引腳為功率地、信號地，在PCB布線時應(yīng)該單點接地。

3 基于LTC3780控制器的仿真
    LTspiceⅣ仿真軟件是由LINEAR公司提供的免費(fèi)、通用型PSPICE電路仿真軟件，它操作簡單，入門容易。LTspice IV具有專為提升現(xiàn)有多內(nèi)核處理器的利用率而設(shè)計的多線程求解器。另外，該軟件還內(nèi)置了新型SPARSE矩陣求解器，這種求解器采用匯編語言，旨在接近現(xiàn)有FPU(浮點處理單元)的理論浮點計算限值。當(dāng)采用四核處理器時，LTspiceⅣ可將大中型電路的仿真速度提高3倍。LTspice IV還擁有集成電路圖捕獲和波形觀測功能，不但可以進(jìn)行瞬態(tài)分析、交流小信號分析、直流掃頻、噪聲分析、直流傳遞函數(shù)和直流工作點分析，而且還能計算仿真時間內(nèi)各器件的電壓、電流平均值和有效值，各器件的平均功率損耗和瞬時功率損耗，這個功能是其他的仿真軟件中沒有的，可極大地方便電源設(shè)計，提高所設(shè)計電源的工作效率。
    筆者根據(jù)工作需要，基于LTC3780控制器設(shè)計了一款24 V輸入、26 V輸出、功率為300 W的開關(guān)電源。在原理設(shè)計完成之后，使用LTspice IV仿真軟件對其進(jìn)行了仿真。電源仿真原理圖見圖2，全載時的電壓波形及紋波分別見圖3、圖4，LTC3780控制器的開關(guān)電源從輕載(1 A)至全載(12A)時輸出電壓、電流波形見圖5。

    在仿真過程中，可以通過改變PLLFLTR引腳的電壓來改變電源工作頻率；通過改變ITH引腳的電阻、電容值來改變控制回路的零極點補(bǔ)償方式，以提高電源的動態(tài)響應(yīng)特性；通過改變FCB引腳的電壓來改變電源工作方式，以提高工作效率。通過仿真，可實時觀察控制效果，完善設(shè)計。

4 PCB設(shè)計的要點
    在進(jìn)行PCB設(shè)計時，除了通用的布線規(guī)則外，對于開關(guān)電源的PCB設(shè)計而言，還有一些特別需要注意之處。
    (1)地平面應(yīng)盡量靠近功率MOSFET，當(dāng)電流大時，功率器件與PCB連接處應(yīng)放置幾個過孔。
    (2)所有小信號器件與SGND引腳相連，所有功率信號與PGND引腳相連。SGND與PGND就近單點接地。PGND引腳與BGx／SWx引腳的連線應(yīng)盡可能的短。具有高dv／dt的SWx、BOOSTx、TCx節(jié)點應(yīng)遠(yuǎn)離小信號敏感節(jié)點。分壓電阻R2應(yīng)遠(yuǎn)離大電流信號和噪聲路徑。
    (3)SENSE+／SENSE-引腳在布線時應(yīng)有最小的環(huán)路空間，以避免傳感布線通過噪聲區(qū)域。
    (4)與ITH引腳相連的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)靠近LTC3780，并且在ITH與SIND引腳間放置。

5 結(jié)束語
    使用四開關(guān)、電流模式、Buck-Boost同步控制器LTC3780進(jìn)行升降壓電源設(shè)計時，由于不需進(jìn)行變壓器的設(shè)計，大大簡化了開關(guān)電源的設(shè)計步驟，提高了工作效率，所需外圍器件少，成本低；并且其電壓輸入、輸出范圍寬，在完成PCB設(shè)計后，僅需改變輸出電壓反饋電阻R1、R2的阻值，就可以設(shè)置出不同的輸出電壓，可方便的在不同應(yīng)用場合使用。另外，通過配套的LTspiceIV仿真器及其自帶的仿真實例，在無需設(shè)計實際的電源前，就可快速的對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行評估、驗證，提高了設(shè)計的可靠性。