LTC3704：宽输入范围、无RSENSE引脚的正负转换DC/DC控制器

LTC3704：宽输入范围、无RSENSE引脚的正负转换DC/DC控制器

产品特性

• 高效运行，无需电流检测电阻
• 宽输入电压范围：2.5V至36V
• 电流模式控制，具备优异的瞬态响应能力
• 最大占空比达92%（典型值）
• ±1%的内部电压基准
• ±2%的运行引脚阈值，具备100mV的迟滞特性
• 微功耗关断模式，静态电流低至10µA
• 通过外部电阻可编程开关频率，范围为50kHz至1MHz
• 支持与外部时钟同步，最高可达1.3倍fOSC
• 支持用户选择的脉冲跳过或突发模式操作
• 内置5.2V低压差稳压器
• 适用于高输出电压应用（VDS > 36V），可通过感测电阻实现
• 采用10引脚MSOP封装

典型应用

• SLIC电源
• 电信电源系统
• 便携式电子设备
• 有线和DSL调制解调器
• 路由器配件

产品描述

LTC3704是一款宽输入范围、电流模式控制的正负向DC/DC控制器，适用于驱动N沟道功率MOSFET。该控制器设计用于从低功率到高功率的多种应用，通过利用MOSFET的导通电阻来消除对电流检测电阻的需求，从而提升整体效率。

该控制器的开关频率可通过外部电阻在50kHz至1MHz之间进行编程，并可通过MODE/SYNC引脚与外部时钟同步。在轻负载条件下，LTC3704进入突发模式，以降低功耗，其最低工作电压为2.5V，关断时静态电流仅为10µA，非常适合电池供电系统。

对于需要恒定频率运行的应用，可通过MODE/SYNC引脚禁用突发模式。当SENSE引脚连接至功率MOSFET源极中的电阻时，LTC3704可支持高于36V的开关电压应用。该控制器采用10引脚MSOP封装，便于集成。

图1：高效正负电源拓扑

功能框图

工作原理

主控制回路

LTC3704是一款用于正负转换器应用的恒频、电流模式控制器。与传统控制器不同，它通过检测功率MOSFET开关两端的电压降来闭合电流控制环路，而非依赖外部检测电阻。这种设计提升了效率，提高了功率密度，并降低了整体系统成本。

图2a：用于实现最高效率的SENSE引脚连接（VSW < 36V）

图2b：用于精确控制输入/输出电流或高开关电压的SENSE引脚连接（VSW > 36V）

图2展示了LTC3704中SENSE引脚的两种连接方式。

在正常工作过程中，当振荡器触发PWM锁存器时，功率MOSFET导通；当电流比较器C1重置锁存器时，MOSFET关断。输出电压经分压后与内部1.230V参考电压进行比较，误差放大器EA输出误差信号至ITH引脚。ITH引脚电压决定了电流比较器C1的阈值。当负载电流增加时，NFB电压下降，ITH电压上升，从而提高电流比较器的触发点，使平均电感电流上升，维持输出稳定。

LTC3704的工作频率由FREQ引脚连接至地的电阻设定，范围为50kHz至1MHz。内部振荡器还可与MODE/SYNC引脚上的外部时钟同步，频率范围为标称值的100%至130%。当该引脚悬空时，内部50kΩ电阻将其拉低，启用突发模式操作。若引脚电压超过2V或接收到外部时钟信号，突发模式将被禁用，控制器进入连续模式。

RUN引脚用于控制IC的启用或关断状态。内部1.248V基准电压与比较器C2配合，允许用户设定开启和关闭电压阈值（迟滞为100mV）。当RUN引脚电压低于1.248V时，芯片进入关断状态，输入电流通常为10µA。

LTC3704支持两种操作方式：一种是通过检测MOSFET电压降，另一种是将SENSE引脚连接至源极中的分流电阻。前者可提升效率并减少元件数量，但输出电压受限于36V；后者则允许输出电压远高于IC的输入电压额定值。

操作模式编程

在轻负载（如<100µA）应用中，突发模式操作可优化效率，此时MODE/SYNC引脚应接地。若固定频率运行更为重要，或需最小输出纹波，则应选择脉冲跳过模式，并将MODE/SYNC引脚连接至INTVCC引脚。当输出电流低于芯片最小导通时间（约175ns）所对应的水平时，转换器将进入周期跳过模式以维持调节。

图3和图4分别展示了突发模式和脉冲跳过模式下的轻负载开关波形。

突发模式操作

通过将MODE/SYNC引脚悬空或接地，可启用突发模式。在正常运行中，ITH引脚电压范围为0.30V至1.2V。在突发模式下，若误差放大器将ITH电压驱动至低于0.525V，电流比较器C1的输入将被钳位，电感电流峰值保持在约30mV除以MOSFET导通电阻的值。当ITH电压低于0.30V时，突发模式比较器B1关闭MOSFET，IC进入低功耗睡眠模式，静态电流降至250µA。

在轻负载条件下，控制器会周期性地开启短时开关脉冲，随后进入长时间休眠，从而显著提升效率。

图3：LTC3704在突发模式下的低输出电流波形（MODE/SYNC = 0V）

脉冲跳过模式操作

当MODE/SYNC引脚电压高于2V时，突发模式被禁用，ITH引脚可直接控制电流比较器。在无负载时，ITH电压低于0.30V，MOSFET关闭，进入休眠模式。

图4：LTC3704在脉冲跳过模式下的低输出电流波形（MODE/SYNC = INTVCC）

当外部时钟频率高于内部振荡器时，控制器将与外部时钟同步。同步模式下，突发模式被禁用，系统效率可能略有下降，但噪声频谱更可控。

若检测到外部时钟不同步，内部振荡器将提前终止斜坡，斜率补偿增加约30%。建议将标称频率设定为外部时钟的75%以确保稳定同步。若外部频率过高（>1.3fO），可能导致斜率补偿不足，引发次谐波振荡。

外部时钟信号需在25ns内超过2V，最大占空比为80%。MOSFET导通将与外部时钟上升沿同步。

图5：同步操作时的模式/同步时钟输入和切换波形

频率编程

工作频率与电感值的选择需在效率与元件尺寸之间取得平衡。低频运行可减少开关损耗，提高效率，但需要更大的电感。

LTC3704的频率可通过FREQ引脚连接至地的电阻设定，范围为50kHz至1MHz。FREQ引脚电压为0.6V，流入该引脚的电流用于对内部振荡器电容进行充放电。

图6：定时电阻（RT）值

PCB布局建议

1. 为减少开关噪声并提升负载调节能力，GND引脚应直接连接至INTVCC去耦电容负端、输出去耦电容负端、MOSFET源极或感测电阻底部、输入电容负端及至少一个邻近引脚6的接地面过孔。顶层地线应尽可能宽且短，以减少串联电阻和电感。
2. 多层PCB中应避免接地回路，建议设置中心接地节点，并使用输入电容以减少输入纹波。
3. 将CVCC电容靠近INTVCC和GND引脚放置，以承载高di/dt栅极驱动电流。低ESR的X5R介质4.7µF陶瓷电容效果良好。
4. 高di/dt回路应尽可能紧凑，以减少电感振荡。二极管阴极应靠近MOSFET源极或感测电阻底部。
5. 通过测量MOSFET漏极与源极之间的电压来评估其应力。若电感振铃超过额定电压，应选择更高耐压或具备雪崩能力的MOSFET。
6. 小信号元件应远离高频切换节点。建议将小信号元件置于IC一侧，功率元件置于另一侧，以实现伪开尔文接地。
7. 若使用感测电阻，应减少其与高频节点之间的电容耦合。LTC3704内置约180ns的前沿消隐时间。
8. 为实现最佳负载调节和远程感测，输出分压器顶部应独立连接至输出电容顶部，远离高频走线。分压电阻应靠近IC放置，以缩短反馈节点。
9. 若多个转换器共用同一输入电源，应为LTC3704单独配置输入滤波电容，以避免其他转换器引入的输入纹波。

图7：LTC3704正负转换器推荐布局

图8：LTC3704正负转换器布局图