基于LTC3780控制器的開關電源仿真和設計

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

0 引言
    開關電源以其體積小，重量輕，效率高的特點受到日益廣泛應用。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、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；
    ·內置低壓差穩(wěn)壓器(LDO)用于芯片內部電路供電；
    ·可控制是否產生輸出電壓；
    ·可設置軟啟動時間；
    ·內置過壓、過流和短路保護；
    ·同步整流時最高效率可達98％。

2 LTC3780的主要功能

    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)導通續(xù)模式、強制連續(xù)導通模式；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)導通續(xù)模式、強制連續(xù)導通模式。突發(fā)模式在電池供電的移動應用中，可提升電源轉換效率，延長系統(tǒng)連續(xù)工作時間。當重視噪聲控制時，強制連續(xù)導通模式可能是優(yōu)選方案，這是以犧牲效率為代價來實現(xiàn)可預知和容易進行濾波的恒定頻率開關操作。脈沖跳躍模式在輕負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，也可由內部振蕩電路產生。當由內部振蕩電路產生時，只需在PLLFLTR與PLLIN引腳間接入0 V～2．4 V直流電壓，即可使內部振蕩電路產生200 kHz～400 kHz的開關頻率；開關頻率由外部輸入時，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內部的鎖相環(huán)電路會使開關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部誤差放大器與內部參考電壓(0．8 V)相比較，以調節(jié)MOSFET的導通時間，使輸出電壓穩(wěn)定在設置值。[!--empirenews.page--]
    SS引腳為軟啟動設置引腳。用來減小電源啟動時輸入電流的浪涌。在進行電源設計時，SS引腳需外接電容Css以設置軟啟動時間，軟啟動時問Tss由公式(1)決定。
   
    SENSE+／SENSE-引腳為電路傳感器的正／負輸入端。應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引腳為內部6 V低壓差穩(wěn)壓器輸出端。它同時對LTC3780控制器內部控制電路、MOSFET驅動電路供電。
    EXTVcc引腳為外部電源輸入端。EXTVcc電壓應小于7 V，且不能大于電源輸入電壓Vin，當EXTVcc電壓大于5．7 V時，LTC3780關斷內部的6 V低壓差穩(wěn)壓器，由EXTVcc對內部控制電路、MOSFET驅動電路供電。
    RUN引腳為輸出控制引腳。當施加RUN引腳上電壓VRUN>1．5 V時，LTC3780控制器工作，VRUN<1．5 V時，LTC3780控制器關斷內部控制開關電路，控制器處于低電流關斷狀態(tài)，此時無輸出電壓。
    STBYMD引腳為待機模式控制引腳。當STBYMD引腳接地時，軟啟動引腳SS在內部被拉至地，內部低壓差穩(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“電源工作正常”指示。開漏輸出，當輸出電壓偏離規(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柵極驅動端、下端MOSFET柵極驅動端。
    SW1／SW2引腳為開關節(jié)點。
    BOOST1／BOOST引腳為BOOST浮動驅動供電端。
    PGND／SGND引腳為功率地、信號地，在PCB布線時應該單點接地。

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、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)有多內核處理器的利用率而設計的多線程求解器。另外，該軟件還內置了新型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計，提高所設計電源的工作效率。
    筆者根據(jù)工作需要，基于LTC3780控制器設計了一款24 V輸入、26 V輸出、功率為300 W的開關電源。在原理設計完成之后，使用LTspice IV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控制器的開關電源從輕載(1 A)至全載(12A)時輸出電壓、電流波形見圖5。

[!--empirenews.page--]

    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，完善設計。

4 PCB設計的要點
    在進行PCB設計時，除了通用的布線規(guī)則外，對于開關電源的PCB設計而言，還有一些特別需要注意之處。
    (1)地平面應盡量靠近功率MOSFET，當電流大時，功率器件與PCB連接處應放置幾個過孔。
    (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引腳的連線應盡可能的短。具有高dv／dt的SWx、BOOSTx、TCx節(jié)點應遠離小信號敏感節(jié)點。分壓電阻R2應遠離大電流信號和噪聲路徑。
    (3)SENSE+／SENSE-引腳在布線時應有最小的環(huán)路空間，以避免傳感布線通過噪聲區(qū)域。
    (4)與ITH引腳相連的補償網絡應靠近LTC3780，并且在ITH與SIND引腳間放置。

5 結束語
    使用四開關、電流模式、Buck-Boost同步控制器LTC3780進行升降壓電源設計時，由于不需進行變壓器的設計，大大簡化了開關電源的設計步驟，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設計后，僅需改變輸出電壓反饋電阻R1、R2的阻值，就可以設置出不同的輸出電壓，可方便的在不同應用場合使用。另外，通過配套的LTspiceIV仿真器及其自帶的仿真實例，在無需設計實際的電源前，就可快速的對設計參數(shù)進行評估、驗證，提高了設計的可靠性。