基于LTC3780控制器的開關(guān)電源的仿真和設(shè)計

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。

LTC3780控制器的主要特點如下：

·輸入電壓（Vin）：4V～36V；

·輸出電壓（Vout）：4V～30V；

·工作頻率i200kHz～400kHz；

·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；

·同步整流時最高效率可達98％。

LTC3780控制器通過對FCB引腳進行不同的電壓配置，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200kHz～400kHz。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0V～2．4V直流電壓，即可使內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生200kHz～400kHz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（0．8V）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6V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7V，且不能大于電源輸入電壓Vin，當(dāng)EXTVcc電壓大于5．7V時，LTC3780關(guān)斷內(nèi)部的6V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》1．5V時，LTC3780控制器工作，VRUN《1．5V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《1．5V，內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓控制電路仍工作，INTVcc引腳輸出6V，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償點，LTC3780控制器環(huán)路穩(wěn)定性補償點。

PGOOD引腳為“電源工作正?！敝甘?。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。

LTspiceⅣ仿真軟件是由LINEAR公司提供的免費、通用型PSPICE電路仿真軟件，它操作簡單，入門容易。LTspiceIV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。LTspiceIV還擁有集成電路圖捕獲和波形觀測功能，不但可以進行瞬態(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24V輸入、26V輸出、功率為300W的開關(guān)電源。在原理設(shè)計完成之后，使用LTspiceIV仿真軟件對其進行了仿真。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（1A）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。

在進行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)遠離小信號敏感節(jié)點。分壓電阻R2應(yīng)遠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引腳相連的補償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)靠近LTC3780，并且在ITH與SIND引腳間放置。

使用四開關(guān)、電流模式、Buck-Boost同步控制器LTC3780進行升降壓電源設(shè)計時，由于不需進行變壓器的設(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)進行評估、驗證，提高了設(shè)計的可靠性。