LT3587單芯片的小型高效解決方案

設(shè)計(jì)具有多個(gè)高壓電源的電池供電系統(tǒng)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在這樣的系統(tǒng)中，電路板空間非常寶貴，需要高效率來延長(zhǎng)電池壽命。電源必須在啟動(dòng)和關(guān)斷時(shí)排序，多個(gè)電源必須能夠保持穩(wěn)壓，而無需跨電源相互作用。

LT?3587 是一款單芯片解決方案，其結(jié)合了三個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器和三個(gè)內(nèi)部高電壓開關(guān)，以產(chǎn)生兩個(gè)高電壓升壓型轉(zhuǎn)換器和一個(gè)單個(gè)高電壓逆變器。LT1 專為采用 3587.2V 至 5V 的輸入范圍運(yùn)行而設(shè)計(jì)，因而使其成為電池供電型系統(tǒng)的理想選擇。小封裝尺寸和低元件數(shù)可形成小型高效解決方案。典型應(yīng)用包括數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)、高性能便攜式掃描儀和顯示系統(tǒng)、PDA、蜂窩電話和具有高壓外圍設(shè)備的手持式計(jì)算機(jī)，如 CCD 傳感器、LED 背光、LCD 顯示器或 OLED 顯示器。

特征

為了保持較低的組件數(shù)量，LT3587 集成了三個(gè)高電壓電源開關(guān)，能夠在高達(dá) 0V 的電壓下切換 5.1A、1A 和 1.32A，采用 3mm × 3mm QFN 封裝。每個(gè)正通道都包括一個(gè)輸出斷接，以防止在禁用開關(guān)時(shí)從輸入到輸出的直流路徑。LT3587 還包括一個(gè)雙向故障引腳 （FLT），該引腳可用于故障指示 （輸出） 或緊急停機(jī) （輸入）。

LT3587 提供了一個(gè)寬輸出范圍，正通道 （通道 32 和 1） 高達(dá) 3V，逆變器 （通道 32） 高達(dá) –2V。通道 3 可配置為穩(wěn)壓器或電流調(diào)節(jié)器。當(dāng)配置為電流穩(wěn)壓器時(shí)，通道 3 使用 1 線輸出，無需電流檢測(cè)或高電流接地返回線，從而簡(jiǎn)化了電路板布局。單個(gè)電阻器分別設(shè)置三個(gè)通道輸出電壓電平和/或通道 3 輸出電流電平。

智能軟啟動(dòng)允許通道 1 的順序軟啟動(dòng)，然后使用單個(gè)電容器進(jìn)行逆變器負(fù)輸出。內(nèi)部排序電路禁用逆變器，直到通道1輸出達(dá)到其最終值的87%。

用于CCD成像儀和LED背光的三路輸出電源

圖1所示為CCD成像儀提供正負(fù)電壓偏置，為L(zhǎng)ED背光提供20mA電流偏置的典型應(yīng)用。LT3587 的所有三個(gè)通道均采用一種恒定頻率、電流模式控制方案，以在輸出端提供電壓和 / 或電流調(diào)節(jié)。

圖1.鋰離子供電相機(jī)解決方案提供用于偏置CCD成像儀的正負(fù)電源和用于5-LED背光的LED驅(qū)動(dòng)器。

正CCD偏置配置為簡(jiǎn)單的非同步升壓轉(zhuǎn)換器。其輸出電壓通過反饋電阻R設(shè)定為15V認(rèn)知障礙.15μH電感器（L1）的最大負(fù)載尺寸為50mA。負(fù)CCD偏置配置為非同步?uk轉(zhuǎn)換器。其輸出電壓利用反饋電阻 R 設(shè)定為 –8V認(rèn)知障礙.兩個(gè) 15μH （L2 和 L3） 電感器的尺寸最大負(fù)載為 100mA。

LED 背光驅(qū)動(dòng)器配置為輸出電流調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器。其輸出電流利用電流編程電阻R設(shè)定為20mAIFB3.10μH 電感器 （L4） 的尺寸適用于 20mA 的典型負(fù)載（在高達(dá) 24V）。注意可選的電壓反饋電阻，RVFB3，在 LED 驅(qū)動(dòng)器上。該電阻器用作 LED 驅(qū)動(dòng)器輸出端的電壓箝位，因此，如果其中一個(gè) LED 失效開路，LED 驅(qū)動(dòng)器輸出端的電壓被箝位至 24V。

軟啟動(dòng)

所有通道均具有軟啟動(dòng)功能（從零到穩(wěn)壓的緩慢電壓斜坡），以防止在啟動(dòng)時(shí)可能造成破壞性的大浪涌電流。軟啟動(dòng)通過兩個(gè)獨(dú)立的軟啟動(dòng)控制引腳實(shí)現(xiàn)：EN/SS1 和 EN/SS3。EN/SS1 引腳控制通道 1 和逆變器的軟啟動(dòng)，而 EN/SS3 引腳控制通道 3 的軟啟動(dòng)。這兩個(gè)軟啟動(dòng)引腳均利用一個(gè) 1μA 內(nèi)部電流源上拉。

從EN/SS1引腳到地的電容（圖3中的C1）為通道1和通道2（逆變器）設(shè)置軟啟動(dòng)斜坡。當(dāng) 1μA 電流源對(duì)電容器充電時(shí)，當(dāng) EN/SS1 引腳電壓上升到 2mV 以上時(shí)，通道 1 和通道 200 的調(diào)節(jié)環(huán)路將使能。在啟動(dòng)期間，通道1的峰值開關(guān)電流隨著EN/SS1引腳的軟啟動(dòng)電壓斜坡成比例上升。逆變器開關(guān)電流也跟隨 EN/SS1 引腳上的電壓斜坡，但其開關(guān)電流斜坡直到 EN/SS1 引腳上的電壓至少為 600mV 時(shí)才開始。這可確保通道 2 在通道 1 之后啟動(dòng)。當(dāng) EN/SS1 引腳上的電壓高于 2.1V 時(shí)，通道 2 和通道 5 調(diào)節(jié)環(huán)路以全電感電流自由運(yùn)行。

以類似的方式，從EN/SS3引腳到地的電容（圖5中的C1）為通道3設(shè)置一個(gè)軟啟動(dòng)斜坡。當(dāng) EN/SS3 引腳上的電壓高于 200mV 時(shí)，通道 3 的調(diào)節(jié)環(huán)路使能。當(dāng) EN/SS3 引腳上的電壓高于 2V 時(shí)，通道 3 的調(diào)節(jié)環(huán)路以全電感電流自由運(yùn)行。

啟動(dòng)排序

LT3587 還包括內(nèi)部排序電路，該電路可抑制通道 2 工作，直到通道 1 （位于 FB1 引腳處）的反饋電壓達(dá)到約 1.1V （約為最終電壓的 87%）。軟啟動(dòng)電容的尺寸控制通道2的啟動(dòng)行為。

如果沒有軟啟動(dòng)電容器或非常小的電容器，則當(dāng)正輸出達(dá)到其最終值的87%時(shí)，負(fù)通道立即以全電感電流啟動(dòng)。如果使用大型軟啟動(dòng)電容器，則EN/SS1電壓控制逆變器通道超過正通道的調(diào)節(jié)點(diǎn)。圖2顯示了不使用軟啟動(dòng)和采用10nF軟啟動(dòng)電容的啟動(dòng)時(shí)序。

圖2.不帶軟啟動(dòng)電容器和10nF軟啟動(dòng)電容器的啟動(dòng)波形。

輸出斷開

兩個(gè)正通道（通道1和3）在其各自的CAP和V之間都有輸出斷開外引 腳。此斷開功能可防止在 V 之間形成直流路徑在和 V外當(dāng)開關(guān)被禁用時(shí)，通過電感器（圖1）。

對(duì)于通道1，此輸出斷接功能使用PMOS（M1）實(shí)現(xiàn)，如圖3中的部分框圖所示。導(dǎo)通時(shí)，M1通常提供低電阻、低功耗路徑，用于在CAP1引腳和V之間提供輸出電流輸出1針。只要 CAP1 和 V 之間的電壓差，M1 就亮著在大于2.5V。這允許正偏置盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持高電平，而負(fù)偏置在關(guān)斷期間放電。

圖3.LT3587 的部分框圖顯示了通道 1 和 3 的斷接 PMOS。

斷路晶體管M1受電流限制，以提供155mA的最大輸出電流。還有一個(gè)用于M1的保護(hù)電路，用于限制CAP1和V兩端的壓降輸出1至約10V。當(dāng)CAP1處的電壓大于10V時(shí)，例如在輸出過載或?qū)Φ囟搪菲陂g，則M1完全開啟，沒有任何電流限制，以使CAP1上的電壓盡快放電。當(dāng)電壓跨越CAP1和V時(shí)輸出1降至10V以下，輸出電流再次限制在155mA。圖4顯示了V過載事件期間的輸出電壓和電流帽1最初為 15V。

圖4.通道 1 短路事件。

通道3上的輸出斷開功能與使用M3類似地實(shí)現(xiàn)（圖3）。但是，在這種情況下，M3僅在EN/SS3引腳電壓小于200mV且通道3的調(diào)節(jié)環(huán)路被禁用時(shí)才關(guān)閉。

斷開晶體管 M3 也具有電流限制功能，可在 V 時(shí)提供最大輸出電流輸出3100mA。M3還具有與M1類似的保護(hù)電路，可限制CAP3和V兩端的壓降輸出3至約10V。圖5顯示了V過載事件期間的輸出電壓和電流帽3最初為 24V。

圖5.通道 3 短路條件，帶或不帶 20mA 電流限制。

故障檢測(cè)和指示器

LT3587 在所有輸出端上具有故障檢測(cè)功能，并具有一個(gè)故障指示引腳 FLT。僅當(dāng)至少一個(gè)通道完成軟啟動(dòng)過程并在全電感電流下自由運(yùn)行時(shí)，故障檢測(cè)電路才會(huì)使能。一旦使能故障檢測(cè)，如果任何使能的通道反饋電壓（V認(rèn)知障礙/ 5認(rèn)知障礙或 V 中的較大值VFB3和 VIFB3） 低于其調(diào)節(jié)值超過 16ms，F(xiàn)LT 引腳拉低。

一個(gè)特別重要的情況是任何輸出上的過載或短路情況。在這種情況下，如果相應(yīng)的環(huán)路無法在16ms內(nèi)使輸出恢復(fù)穩(wěn)壓，則檢測(cè)到故障，F(xiàn)LT引腳拉低電平。

請(qǐng)注意，故障條件是鎖存的 — 一旦激活，所有三個(gè)通道都將被禁用。使能任何通道都需要通過關(guān)斷器件（強(qiáng)制EN/SS1和EN/SS3引腳均低于200mV）然后再次導(dǎo)通來復(fù)位器件。圖6顯示了通道1發(fā)生短路情況超過16ms時(shí)的波形，以及隨后對(duì)器件進(jìn)行復(fù)位。

圖6.短路事件的故障檢測(cè)。

除了用作故障輸出指示器外，F(xiàn)LT引腳還是輸入引腳。如果該引腳在外部被強(qiáng)制低于 400mV，則 LT3587 的行為就像發(fā)生了故障事件并且所有通道都關(guān)斷一樣。要重新接通器件，請(qǐng)移除迫使引腳為低電平的外部電壓并復(fù)位器件。圖7顯示了FLT引腳外部強(qiáng)制為低電平時(shí)的波形以及隨后的器件復(fù)位。

圖7.FLT引腳外部被強(qiáng)制為低電平時(shí)的波形。

通道3作為電流調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光控制

如圖1所示，通道3最常見的應(yīng)用之一是作為背光LED驅(qū)動(dòng)器的電流調(diào)節(jié)器。在許多需要LED背光的高端顯示器應(yīng)用中，調(diào)暗顯示器亮度的能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)省電模式或在不同環(huán)境照明條件下保持對(duì)比度至關(guān)重要。

有兩種不同的方法可以實(shí)現(xiàn)LED燈串的調(diào)光控制。LED 電流可通過使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 和電阻 R 進(jìn)行調(diào)節(jié)IFB3或使用 PWM 信號(hào)。

使用 DAC 和電阻進(jìn)行模擬調(diào)光

對(duì)于某些應(yīng)用，首選的亮度控制方法是使用DAC和電阻。這種方法通常稱為模擬調(diào)光。此方法如圖 8 所示。

圖8.使用DAC和電阻進(jìn)行模擬調(diào)光。

由于編程的 V輸出3電流與通過R的電流成正比IFB3，LED電流可以通過改變DAC輸出電壓來調(diào)節(jié)。較高的DAC輸出電壓電平導(dǎo)致較低的LED電流，從而降低整體亮度。為實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)光控制，請(qǐng)將DAC輸出阻抗保持在足夠低的水平，以吸收所需最大LED電流的約1/200。注意，最大可能輸出電流受輸出斷接電流限制為100mA的限制。

脈寬調(diào)制調(diào)光

如上所述，模擬調(diào)光的一個(gè)問題是，改變LED中流動(dòng)的正向電流不僅會(huì)改變LED的亮度強(qiáng)度，還會(huì)改變顏色。對(duì)于不能容忍LED色度發(fā)生任何變化的應(yīng)用來說，這是一個(gè)問題。

使用直接PWM信號(hào)控制LED強(qiáng)度可以在不改變顏色的情況下調(diào)光LED。~80Hz或更高的PWM頻率保證沒有可見的閃爍。PWM 信號(hào)中的導(dǎo)通時(shí)間量與 LED 的強(qiáng)度成正比。在此方案中，LED的顏色保持不變，因?yàn)長(zhǎng)ED電流值為零或恒定值（IVOUT3= 160V/RIFB3).

圖 9 顯示了用于 3 個(gè)白光 LED 的 LED 驅(qū)動(dòng)器。如果 LED 導(dǎo)通時(shí) CAP10 引腳上的電壓高于 <>V，則直接 PWM 調(diào)光方法需要外部 NMOS。該外部 NMOS 連接在串中最低 LED 的陰極和地之間。

圖9.用于六個(gè) LED 的驅(qū)動(dòng)器，帶 PWM 調(diào)光功能。

輸出斷接功能和外部 NMOS 可確保 LED 在不對(duì)輸出電容放電的情況下快速關(guān)斷。這樣可以更快地打開 LED。圖10顯示了圖9中電路的PWM調(diào)光波形。

圖 10.PWM 調(diào)光波形。

LED電流達(dá)到其編程值所需的時(shí)間決定了給定PWM頻率可實(shí)現(xiàn)的調(diào)光范圍。在占空比的極端低端，不再保留平均LED電流與PWM占空比之間的線性關(guān)系。最小導(dǎo)通時(shí)間是根據(jù)平均LED電流所需的線性度來選擇的。例如，對(duì)于圖9中的電路，為了在較低占空比下產(chǎn)生約10%的線性偏差，對(duì)于320.3V輸入電壓和2Hz PWM頻率，LED電流的最小導(dǎo)通時(shí)間約為3μs（占空比為6.100%）。該應(yīng)用的可實(shí)現(xiàn)調(diào)光范圍為30：1（大約是最小占空比的倒數(shù)）。

通過將PWM調(diào)光與模擬調(diào)光相結(jié)合，可以顯著擴(kuò)展調(diào)光范圍。LED的顏色不再保持不變，因?yàn)長(zhǎng)ED的正向電流隨著DAC的輸出電壓而變化。對(duì)于上述0個(gè)LED應(yīng)用，可以通過調(diào)制PWM信號(hào)的占空比來調(diào)光LED，DAC輸出為20V。一旦達(dá)到最小占空比，就可以增加DAC輸出電壓的值，以進(jìn)一步調(diào)暗LED。結(jié)合使用這兩種技術(shù)，六種 LED 應(yīng)用的平均 LED 電流可在 1mA 至 20000μA 以下 （1：<> 調(diào)光比） 之間變化。

通道 3 過壓和過流保護(hù)

通道 3 可配置為穩(wěn)壓升壓轉(zhuǎn)換器或電流穩(wěn)壓升壓轉(zhuǎn)換器。通道 3 的調(diào)節(jié)環(huán)路使用 V 處兩個(gè)電壓中的較大者認(rèn)知障礙和我認(rèn)知障礙作為反饋來設(shè)置其電源開關(guān)的峰值電流。該架構(gòu)允許對(duì)電壓調(diào)節(jié)進(jìn)行可編程電流限制或?qū)﹄娏髡{(diào)節(jié)進(jìn)行電壓限制。

當(dāng)配置為升壓穩(wěn)壓器時(shí)，來自輸出引腳V的反饋電阻輸出3到 V認(rèn)知障礙引腳將電壓電平設(shè)置為 V輸出3在固定水平。在這種情況下，I認(rèn)知障礙如果不需要電流限制，引腳可以接地，也可以用電阻器接地以設(shè)置輸出電流限制值（I限制).如前所述，I上的上拉電流認(rèn)知障礙引腳通?？刂茷閂處輸出負(fù)載電流的1/200輸出3針。在這種情況下，當(dāng)負(fù)載電流小于I限制，通道 3 調(diào)節(jié) V 處的電壓認(rèn)知障礙引腳至 0.8V。如果負(fù)載電流增加超過 I限制，電壓在 V認(rèn)知障礙開始下降，電壓在I認(rèn)知障礙升至0.8V以上。然后，通道 3 環(huán)路調(diào)節(jié) I 處的電壓認(rèn)知障礙引腳至 0.8V，將輸出電流限制在 V輸出3到我限制.圖11比較了發(fā)生電流過載時(shí)有和沒有限流的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 11.輸出電流過載事件中的通道3，帶或不帶輸出電流限制。

通道 3 CAP3 引腳具有過壓保護(hù)功能。當(dāng)CAP3處的電壓被驅(qū)動(dòng)到29V以上時(shí)，通道3環(huán)路被禁用，SW3引腳停止開關(guān)。當(dāng)配置為升壓電流穩(wěn)壓器時(shí)，來自 I 的反饋電阻認(rèn)知障礙引腳至地將輸出電流設(shè)置為 V輸出3在固定水平。在這種情況下，如果 V認(rèn)知障礙引腳接地，則過壓保護(hù)默認(rèn)為 29V。

另一方面，可以從V連接電阻器輸出3引腳到 V認(rèn)知障礙用于設(shè)置輸出電壓箝位 （V鉗） 電平低于 29V。在這種情況下，當(dāng)電壓電平小于V時(shí)鉗，通道 3 環(huán)路調(diào)節(jié) I 處的電壓認(rèn)知障礙引腳至 0.8V。另一方面，當(dāng)輸出負(fù)載失效開路或斷開時(shí)，電壓在I認(rèn)知障礙下降以反映較低的輸出電流和V處的電壓認(rèn)知障礙開始上升。當(dāng)電壓在V時(shí)輸出3超越 V鉗、電壓在 V認(rèn)知障礙引腳高于0.8V。然后，通道 3 環(huán)路調(diào)節(jié) V 處的電壓認(rèn)知障礙引腳為 0.8V，將電壓電平限制在 V輸出3到 V鉗.圖12對(duì)比了有和沒有編程V的瞬態(tài)響應(yīng)鉗當(dāng)輸出負(fù)載斷開時(shí)。

圖 12.輸出開路中的通道3，帶或不帶編程輸出電壓鉗位。

低輸入電壓

雖然 LT3587 的 V在電源電壓范圍為2.5V至6.0V，電感器可以斷電較低的電壓。大多數(shù)便攜式設(shè)備和系統(tǒng)具有一個(gè)單獨(dú)的 3.3V 邏輯電源電壓，該電壓可用于為 LT3587 供電。這允許輸出直接從低壓電源（如兩個(gè)堿性電池）供電。這種配置可提高效率。圖13顯示了以這種方式供電的典型數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用。它具有正負(fù) CCD 電源以及 LED 背光電源。

圖 13.兩節(jié) AA 電池產(chǎn)生 CCD 正負(fù)電源，以及一個(gè)用于 3 LED 背光的驅(qū)動(dòng)器。

用肖特基電感代替電感，更小的占位面積

如果逆變器輸出端（通道2）可以容忍更高的電流紋波，則用肖特基二極管D3代替電感L3，如圖14所示。由于肖特基二極管的占位面積通常小于電感占位面積，因此建議將這種替代拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于空間受限的應(yīng)用。僅當(dāng)逆變器輸出的絕對(duì)值大于V時(shí)，此拓?fù)洳趴尚性?該肖特基二極管配置為陽極連接到逆變器的輸出端，陰極連接到跨接電容C2的輸出端，如圖14所示。

圖 14.用于OLED面板的鋰離子驅(qū)動(dòng)器和帶有肖特基二極管的CCD成像儀取代逆變器的輸出電感。

結(jié)論

LT?3587 是一款多功能、高度集成的器件，可為相機(jī)、掌上計(jì)算機(jī)和需要多個(gè)高電壓電源的終端等器件提供簡(jiǎn)單的解決方案。低部件數(shù)和緊湊的 3mm × 3mm 封裝使解決方案尺寸保持較小。高效率轉(zhuǎn)換使其適用于電池供電應(yīng)用。

可調(diào)輸出電壓和寬輸出范圍（正升壓高達(dá) 32V）和逆變器高達(dá) –32V，使其成為需要高壓電源系統(tǒng)的靈活解決方案。通道 3 能夠用作穩(wěn)壓器或真正的 1 線電流穩(wěn)壓器，從而使 LT3587 成為真正的一體化電源。

軟啟動(dòng)、電源排序、輸出斷接和故障處理等附加特性也增加了該器件的多功能性，并進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷