基于LTC3780控制器的开关电源仿真和设计

摘要：首先介绍了四开关Buck-Boost控制器LTC3780的基本功能及原理，并以LTC3780为基础设计了一款24～26 V／300 W直流开关电源，然后利用LINEAR公司提供的电路仿真软件LTspiceIV对其进行仿真，在此基础上完成了PCB设计，并给出了一些PCB布局的建议。
关键词：LTC3780；LTspiceIV；直流开关电源

0 引言
    开关电源以其体积小，重量轻，效率高的特点受到日益广泛应用。电源控制芯片也在朝着小体积、大功率、高效率的方向发展，LINEAR公司推出的四开关、电流模式、Buck-Boost同步控制器LTC3780就是一款小体积、大功率、高效率的电源控制芯片。LTC3780允许输入电压大于、小于或等于输出电压，其外接元件较少，工作效率大于95％，是自动化、通信、电池供电设备的理想选择。

1 LTC3780的特点
    LTC3780控制器的主要特点如下：
    ·输入电压(Vin)：4 V～36 V；
    ·输出电压(Vout)：4 V～30 V；
    ·工作频率i200 kHz～400 kHz；
    ·内置低压差稳压器(LDO)用于芯片内部电路供电；
    ·可控制是否产生输出电压；
    ·可设置软启动时间；
    ·内置过压、过流和短路保护；
    ·同步整流时最高效率可达98％。

2 LTC3780的主要功能

    LTC3780控制器通过对FCB引脚进行不同的电压配置，就可使LTC3780工作在不同的工作模式：在Boost工作模式时，可配置为突发模式、非连续导通续模式、强制连续导通模式；LTC3780控制器在Buck工作模式时，可配置为脉冲跳跃模式、非连续导通续模式、强制连续导通模式。突发模式在电池供电的移动应用中，可提升电源转换效率，延长系统连续工作时间。当重视噪声控制时，强制连续导通模式可能是优选方案，这是以牺牲效率为代价来实现可预知和容易进行滤波的恒定频率开关操作。脉冲跳跃模式在轻负载效率和输出电压纹波之间提供了一种上佳的折衷。
    LTC3780控制器的工作频率范围是200 kHz～400 kHz。工作频率既可由外部振荡器输入，也可由内部振荡电路产生。当由内部振荡电路产生时，只需在PLLFLTR与PLLIN引脚间接入0 V～2．4 V直流电压，即可使内部振荡电路产生200 kHz～400 kHz的开关频率；开关频率由外部输入时，只需在PLLIN引脚接入一时钟源(此时PLLFLTR通过一个O．1μF瓷片电容接地)，LTC3780内部的锁相环电路会使开关频率与输入时钟源同步。
    Vosense是电压反馈引脚。输出电压通过外部反馈分压电阻将输出电压信号通过内部误差放大器与内部参考电压(0．8 V)相比较，以调节MOSFET的导通时间，使输出电压稳定在设置值。
    SS引脚为软启动设置引脚。用来减小电源启动时输入电流的浪涌。在进行电源设计时，SS引脚需外接电容Css以设置软启动时间，软启动时问Tss由公式(1)决定。
   
    SENSE+／SENSE-引脚为电路传感器的正／负输入端。应在这两个引脚间接一传感电阻，此传感电阻不但决定了最大电感峰值电流，而且也决定了电源的最大过流值。在Boost模式下的最大电感峰值电流为：
   
    INTVcc引脚为内部6 V低压差稳压器输出端。它同时对LTC3780控制器内部控制电路、MOSFET驱动电路供电。
    EXTVcc引脚为外部电源输入端。EXTVcc电压应小于7 V，且不能大于电源输入电压Vin，当EXTVcc电压大于5．7 V时，LTC3780关断内部的6 V低压差稳压器，由EXTVcc对内部控制电路、MOSFET驱动电路供电。
    RUN引脚为输出控制引脚。当施加RUN引脚上电压VRUN>1．5 V时，LTC3780控制器工作，VRUN<1．5 V时，LTC3780控制器关断内部控制开关电路，控制器处于低电流关断状态，此时无输出电压。
    STBYMD引脚为待机模式控制引脚。当STBYMD引脚接地时，软启动引脚SS在内部被拉至地，内部低压差稳压控制电路不工作，INTVcc引脚无输出，控制器不工作；STBYMD引脚开路时，允许RUN引脚去控制控制器是否工作；STBYMD引脚电压大于1．25V时，即使VRUN<1．5 V，内部低压差稳压控制电路仍工作，INTVcc引脚输出6 V，给外部电路供电。
    ITH引脚为电流控制门限和误差放大器的补偿点，LTC3780控制器环路稳定性补偿点。
    PGOOD引脚为“电源工作正常”指示。开漏输出，当输出电压偏离规定电压的±7．5％时，PGOOD引脚被下拉到地。
    TG1／TG2、BG1／BG2引脚分别为上端MOSFET栅极驱动端、下端MOSFET栅极驱动端。
    SW1／SW2引脚为开关节点。
    BOOST1／BOOST引脚为BOOST浮动驱动供电端。
    PGND／SGND引脚为功率地、信号地，在PCB布线时应该单点接地。

3 基于LTC3780控制器的仿真
    LTspiceⅣ仿真软件是由LINEAR公司提供的免费、通用型PSPICE电路仿真软件，它操作简单，入门容易。LTspice IV具有专为提升现有多内核处理器的利用率而设计的多线程求解器。另外，该软件还内置了新型SPARSE矩阵求解器，这种求解器采用汇编语言，旨在接近现有FPU(浮点处理单元)的理论浮点计算限值。当采用四核处理器时，LTspiceⅣ可将大中型电路的仿真速度提高3倍。LTspice IV还拥有集成电路图捕获和波形观测功能，不但可以进行瞬态分析、交流小信号分析、直流扫频、噪声分析、直流传递函数和直流工作点分析，而且还能计算仿真时间内各器件的电压、电流平均值和有效值，各器件的平均功率损耗和瞬时功率损耗，这个功能是其他的仿真软件中没有的，可极大地方便电源设计，提高所设计电源的工作效率。
    笔者根据工作需要，基于LTC3780控制器设计了一款24 V输入、26 V输出、功率为300 W的开关电源。在原理设计完成之后，使用LTspice IV仿真软件对其进行了仿真。电源仿真原理图见图2，全载时的电压波形及纹波分别见图3、图4，LTC3780控制器的开关电源从轻载(1 A)至全载(12A)时输出电压、电流波形见图5。

    在仿真过程中，可以通过改变PLLFLTR引脚的电压来改变电源工作频率；通过改变ITH引脚的电阻、电容值来改变控制回路的零极点补偿方式，以提高电源的动态响应特性；通过改变FCB引脚的电压来改变电源工作方式，以提高工作效率。通过仿真，可实时观察控制效果，完善设计。

4 PCB设计的要点
    在进行PCB设计时，除了通用的布线规则外，对于开关电源的PCB设计而言，还有一些特别需要注意之处。
    (1)地平面应尽量靠近功率MOSFET，当电流大时，功率器件与PCB连接处应放置几个过孔。
    (2)所有小信号器件与SGND引脚相连，所有功率信号与PGND引脚相连。SGND与PGND就近单点接地。PGND引脚与BGx／SWx引脚的连线应尽可能的短。具有高dv／dt的SWx、BOOSTx、TCx节点应远离小信号敏感节点。分压电阻R2应远离大电流信号和噪声路径。
    (3)SENSE+／SENSE-引脚在布线时应有最小的环路空间，以避免传感布线通过噪声区域。
    (4)与ITH引脚相连的补偿网络应靠近LTC3780，并且在ITH与SIND引脚间放置。

5 结束语
    使用四开关、电流模式、Buck-Boost同步控制器LTC3780进行升降压电源设计时，由于不需进行变压器的设计，大大简化了开关电源的设计步骤，提高了工作效率，所需外围器件少，成本低；并且其电压输入、输出范围宽，在完成PCB设计后，仅需改变输出电压反馈电阻R1、R2的阻值，就可以设置出不同的输出电压，可方便的在不同应用场合使用。另外，通过配套的LTspiceIV仿真器及其自带的仿真实例，在无需设计实际的电源前，就可快速的对设计参数进行评估、验证，提高了设计的可靠性。