《KTC3500 DCDC评估板》——02 KTC3500应用设计

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KTC3500 DCDC评估板——IC应用电路设计

 

• IC介绍：
  KTC3500 是一种低静态电流的DCDC转换器，它集成了BOOST、SEPIC、和反激变换器功能。 KTC3500可以在3.5V至60V的宽输入范围内运行，因此可以支持各种输入电压为5V、12V、24V和48V的电源轨和多节电池的应用。
  KTC3500采用电流模式控制，具有内部斜率补偿功能，可实现快速瞬态响应和卓越的输出电压调节。该IC开关频率可以在100K到1.2MHz自由调节，它提供了一种灵活的可优化的设计，以便应对不同产品需求。它带有可调节的软启动功能，可以限制在启动时的inrush电流。该器件的Enable/Disable引脚可以用于调节输入的UVLO门限。它带有输入保护UVLO、输出保护OVP、内置逐周期电流限制、短路电流保护以及热切断。
  IC输入范围：3.5~60V；
  IC反馈电压：1.2V，1%；
  开关频率：100K~1.2MHz可调；
  工作电流：500uA；
  休眠电流5uA；
  工作温度范围：-40℃~120℃
• PIN脚介绍：
  KTC3500PIN脚设计如图1所示。
  
  图 1

  PIN	名称	描述
  1	RT	电阻器定时。从该引脚到GND引脚的外部电阻器对100kHz和1.2MHz之间的开关频率进行编程。
  2	SS	可编程缓启动引脚。通过在和GND之间添加电容设置缓启动时间。
  3	EN	使能引脚。该PIN浮空，将使能IC。拉到1.2V以下进入低电流待机模式拉到0.4V以下进入截止模式。可以通过两个电阻分压接到EN脚实现输入UVLO可调。
  4	COMP	内部跨导误差放大器输出。反馈环补偿网络通过该脚接到GND。
  5	FB	用于输出电压调节的误差放大器和反馈调节引脚。将此引脚连接到电阻分压器的中心，以设置输出电压。
  6	GND	参考地
  7	CS	电流检测引脚。在CS和GND之间接一个外部电流检测电阻。电流反馈环路和过流检测采用CS上的电压，过流检测的门限是80mV.
  8	DRV	低端MOS的栅极驱动输出引脚。该PIN连接到NMOS的栅极。当输入关闭时，LDRV和PGND之间将存在200KΩ阻抗。
  9	VCC	由内部LDO输出，作为内部控制电路和MOS栅极驱动电源，典型值为10V，连接一个低ESR的陶瓷电容到PGND。推荐采用0.47µF ~ 10µF电容。
  10	VIN	IC的输入供电引脚。输入采用3.5v ~60v电压。VIN引脚上的电压与升压功率级输入不同是可以接受的。
  EP	Exposed Pad	此电源脚接到GND。建议将该PIN通过热风焊盘接到内部GND平面，以提升散热性能。

• IC应用介绍：

        IC内部框图2如下所示：

图 2

        如IC内部框图所示，KTC3500内部主要包含LDO模块、UVLO模块、OVP/OCP/OTP检测模块、时钟模块、PWM发生器模块、误差放大器模块、功率驱动模块以及热保护模块等。

KTC3500的应用主要包含BOOT电路、SEPIC电路和反激电路，接下来，将逐一介绍这三种电路。

        首先，介绍基于KTC3500的BOOST电路。与普通的BOOST升压电路类似，这是一个异步BOOST电路，KTC3500也分为充电和放电两个环路。通过VIN给KTC3500内部电路供电，内部通过LDO输出VCC电源。该IC从DRV引脚输出低端MOS管的启动信号。芯片的CS引脚通过RCS电阻采集流过MOS管的电流，用于检测输出电流和电流环路反馈。KTC的高端MOS采用二极管替代，输出电压采样和反馈使用电阻分压。BOOST电路如图3所示。

图 3

        然后，这里将介绍基于KTC3500的SEPIC电路。Sepic (Single ended primary inductor converter)--单端一次侧电感式变换器，该电路允许输出电压大于、等于或小于输入电路输出电压主要由主控MOS控制。与BOOST电路类似，KTC3500内部电路基本不变，主要是功率电路部分存在差异。

图 4

        SEPIC电路原理分析如下所示。两只电感L1，L2、两只电容C1，C2、输出整流管D1，功率开关管MOS。当MOS闭合时，D1截止。L1上的电流沿着VIN->L1->MOS的回路，对L1进行储能；同时C1经过MOS对L2进行储能；输出电容C2放电，给负载提供输出电流Io。当MOS断开时，L2上产生反向电动势，使得D1由截止变为导通；此时有两条电流途径：一条是,L1提供的IL1沿着L1->C1->D`给负载供电。另一条是，IL2沿着L2->D1给负载供电。总电感电流为IL1+IL2，可维持输出电压不变；同时还对C1，C2进行充电以补充能量。

        L1和MOS起到升压式变换器的作用，L2和D1起到反激式降压/升压式的作用，故属于升压+降压/升压式变换器；L2的作用是将能量传递到输出端，并对C1进行复位。C1不仅是隔直电容，还等效一个“电荷泵”，MOS断开C1被充电，MOS闭合C1将能量传给L2。C1与L1串联，可以吸收L1的漏感，则可以降低对开关MOS管的要求。输出电压表达式 Uout=Uin*D/(1-D)。

        接下来，本文将进行基于KTC3500的反激电路分析。反激电路如图5所示，与前面两种电路不通，反激电路在输入和输出之间增加了变压器线圈组，在输出反馈端采用光电器件和电容将GND隔离，这些都是用于隔离输入和输出电路。此外，反激电路的反馈并非接到FB，而是接到了COMP引脚。由图2可知，COMP是误差放大器输出，FB是误差放大器输入，在这里反激变换器的光电反馈器件已经将电压误差放大，因此无需使用误差放大器再次放大。

图 5

        最后，本文将介绍KTC3500的PCB设计要点。官方设计建议如下所示：

1. 建议电源环路面积尽可能小；
2. 建议模拟信号GND和功率GND通过单端连接；
3. 建议将所有控制电容接地至其各自的地线，并将控制电路电容放置在IC附近以解耦噪声。
4. 在反激电路设计中，需要保持前级和次级控制电路走线远离噪声源（如前级开关端和次级开关端）。
5. 建议将FB和COMP引脚远离噪声源。在一些大电流设计应用中，建议在FB和输出端口需要有10K以上的阻抗，用于滤除噪声。
6. 建议使用RCD等缓冲电路来限制关断时SW引脚上的峰值电压。

Jacktang

后面介绍的KTC3500的PCB设计要点，官方设计建议还是很给力的