超小型低功耗BOOST變換器LM2731及其應(yīng)用電路

　　引言

　　LM2731是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)生產(chǎn)的超小型低功耗BOOST變換器。該器件采用模擬雙極型CMOS DMOS (ABCD)150制造工藝，因而具有很高的功率密度，并可減化外圍電路的設(shè)計復(fù)雜性，同時可使BOOST變換器的效率和可靠性大幅度提高。因此，該BOOST變換器以其功耗低、成本低廉、電路簡單、效率高等特點，可被廣泛應(yīng)用于個人數(shù)字助理(PDA)、數(shù)碼相機(jī)、蜂窩式移動電話等各種手持式電子產(chǎn)品中。

　　1 LM2731的性能特點

　　LM2731有兩種不同的版本。在器件型號中，后綴為X的產(chǎn)品的開關(guān)頻率約1.6 MHz，最高可達(dá)1.85 MHz，而后綴為Y的開關(guān)頻率約1600 kHz。最高可達(dá)0.8 MHz。

　　LM2731可用于驅(qū)動3只或4只白色發(fā)光二極管，可在寬輸人電壓下工作，其具體特點如下：

　　◇內(nèi)部DMOS功率場效應(yīng)管能承受22 V的DC電壓;

　　◇在VIN為5 V、ISW為100mA的情況下，其導(dǎo)通輸出電阻RDS(ON)小于260mΩ;

　　◇由于其允許采用小封裝電感和微型SMD陶瓷電容器，故可減小器件安裝空間;

　　◇內(nèi)置斜率補(bǔ)償電路，因而可省去外接RC補(bǔ)償電路;

　　◇工作電壓范圍為2.7～14 V;輸出電壓范圍為5～17 V，最高可達(dá)20 V;

　　◇輸出電流ISW可達(dá)1.8A;

　　◇帶有節(jié)能控制功能，在待機(jī)狀態(tài)時，整個變換器的耗電電流小于1μA，因而可以大大延長電池的使用壽命;

　　◇超低功耗：LM2731X的靜態(tài)電流為2 mA，LM2731Y的靜態(tài)電流為1 mA;

　　◇支持先進(jìn)的電流模式控制，在寬輸入電壓范圍內(nèi)具備良好的負(fù)載調(diào)整率，并可消除音頻及電子噪聲;

　　◇在2.7 V≤VIN≤14 V下的線性調(diào)整率為0.02%/V(典型值);

　　◇最大占窄比：LM2731X為93%，LM2731Y為96%;

　　◇開關(guān)管漏電流可低至1μA;

　　◇帶有過熱、過流、、欠壓保護(hù)功能，熱關(guān)閉門限溫度為150℃;

　　◇工作溫度在-40～125℃。

　　2 引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　LM2731采用小型5腳SOT-23封裝，圖1所示是其引腳排列圖，各引腳的功能如下：

　　SW：內(nèi)部功率場效應(yīng)管的漏極，其外部應(yīng)連接一電感;

　　GND：接地端;

　　FB：輸出電壓調(diào)整端。使用時，芯片的FB腳應(yīng)外接到電阻分壓器的中間點，其分壓比可用于決定輸出電壓，LM2731的FB腳的電壓調(diào)整范圍為1.205～1.255 V;當(dāng)VFB=1.23 V時，F(xiàn)B腳的輸入偏置電流IFB約60 nA。

　　SHDN：待機(jī)控制端，當(dāng)SHDN腳上電壓高于1.5 V上限門限值時，電源開通，當(dāng)SHDN腳上電壓低于0.5V下限門限值時，電源關(guān)閉，IC進(jìn)入待機(jī)省電狀態(tài)。

　　VIN：電源電壓輸入端，使用時應(yīng)外接一個4.7～22μF的低ESR值濾波電容，且該電容應(yīng)盡可能接近VIN腳，以減小輸入紋波電壓。

　　LM2731內(nèi)置22 V/1.8 A功率MOSFET、PWM比較器、振蕩器、鋸齒波發(fā)生器、加法器、過流限制比較器、驅(qū)動器、待機(jī)控制電路及過熱關(guān)閉等電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　3 應(yīng)用電路

　　3.1 典型應(yīng)用電路

　　由LM2731Y組成的BOOST變換器應(yīng)用電路如圖3所示。該電路在上電時，其外接電源電壓分成兩路：一路加至VIN管腳來為芯片控制電路提供偏置電壓;另一路經(jīng)電感送到內(nèi)部DMOS管的漏極及續(xù)流二極管的負(fù)極，以便為功率回路提供電流。當(dāng)內(nèi)部DMOS管導(dǎo)通時，流經(jīng)L1中的電流從零逐漸增大，同時將電能儲存在L1中。一旦電流達(dá)到極限電流值，其內(nèi)部DMOS管將關(guān)斷，L1中電流經(jīng)VD對負(fù)載供電。

　　輸入電容主要用于濾除電源中的紋波電壓，建議采用X5R或X7R介質(zhì)材料的陶瓷電容，其容值可在2.2～6.8μF之間選擇。輸出電窬既能維持輸出電壓，也能平滑因MOSFET開關(guān)產(chǎn)生的紋波電壓(存N溝道MOSFET導(dǎo)通時，由輸出電容向負(fù)載供電)。在保證足夠帶寬的前提下，應(yīng)選擇ESR(串聯(lián)等效電阻)和ESL(串聯(lián)等效電感)小、耐壓值高的輸出電容，例如X5R或X7R (ESR值小于0.3Ω)介質(zhì)材料的陶瓷電容。其容值應(yīng)根據(jù)輸出電流的大小來選擇。

　　電感是升壓變換器的關(guān)鍵元件，其取值大小直接影響整個電路的正常工作。如果需要追求高效率，最好選擇參數(shù)較小的電感。在選擇電感時，需要根據(jù)輸出電流、LM2731的工作頻率、電感的直流電阻、電感的額定電流和紋波電壓等條件來綜合決定。設(shè)計時推薦的電感值取值范圍為2.2～10μH。

　　用戶通過選擇不同參數(shù)的外設(shè)電阻可以調(diào)節(jié)LM2731Y的輸出電壓，R1一般取13.3 kΩ，當(dāng)R2取40.5 kΩ時，其輸出電壓VOUT為5 V，輸出電流IOUT為700 mA;而當(dāng)R2取117 kΩ時，其輸出電壓Votr，為12 V，輸出電流，o岍為230 mA。

　　3.2 基于LM2731X的背光顯示驅(qū)動電路

　　采用LM2731X實現(xiàn)的背光顯示驅(qū)動電路如圖4所示，在該電路中背光顯示由四只白色LED組成，R1、R2用于調(diào)節(jié)LM2731X的輸出電壓，當(dāng)R1取13.3 kΩ，R2取84 kΩ時，輸出電壓VOUT為9V。CF為高頻旁路電容，阻止器件產(chǎn)生振蕩，R4、R5為限流電阻，用于調(diào)節(jié)兩組LED的亮度。C2用于電源紋波抑制。該電路的最大驅(qū)動電流IOUT為240 mA，可直接為四只高亮白色LED提供穩(wěn)定的偏置電流，以保證白色LED具有均勻的亮度分布。

　　3.3 基于LM2731Y的閃光燈電路

　　采用LM2731Y變換器實現(xiàn)的閃光燈電路如圖5所示。LM2731Y設(shè)有適合“閃光燈”(FLASH)應(yīng)用的高電流亮度模式，驅(qū)動器可輸出高達(dá)1.8A的電流。該閃光燈電路由三只超高亮度的白色LED串聯(lián)組成，通過串聯(lián)一個120 Ω電阻(R2)接地，來使分壓器的中間點接FB端，R2用于峰值電流調(diào)節(jié)。SHDN腳用作“閃光燈”(FLASH)控制端，在該腳外加開關(guān)脈沖信號(如微處理器發(fā)出的控制信號)即可驅(qū)動三只超高亮的白色LED，實現(xiàn)“閃光燈”功能，從而為數(shù)碼相機(jī)、PDA在夜間拍攝景物提供光源。為了提高變換器的輸出電壓，L1應(yīng)選用較小電感，廠家給出的L1的參數(shù)為1.5μH，并要求電感器的直流電阻小于0.05 Ω，以減小直流損耗。

　　4 LM2731的PCB布線布局

　　使用LM2731芯片時，應(yīng)當(dāng)注意其PCB板的分布和布局。一般情況下，在進(jìn)行LM2731的PCB設(shè)計時，需注意以下幾點：

　　(1)輸入電容與輸出電容盡可能靠近芯片的相應(yīng)管腳放置，以減小分布電容、分布電感的影響，提高抑制紋波電壓的能力。

　　(2)反饋端的分壓電阻R1、R2應(yīng)靠近芯片放置，并應(yīng)保證分壓點到FB引腳的走線最短。反饋信號要遠(yuǎn)離VIN到SW支路之間的走線，以防產(chǎn)生耦合噪聲。

　　(3)輸出端的采樣信號必須從輸出電容的最末端采樣，不能從其它地方采樣，這樣可確保采樣信號是真實的負(fù)載電壓。

　　(4)電路中的電感應(yīng)盡量接近VIN和SW引腳，并應(yīng)當(dāng)確保主回路的走線短而粗，從而減小對外輻射的能量。

　　5 結(jié)束語

　　由于選用LM2731組成BOOST變換器具有功耗低、性能穩(wěn)定、電路簡單、效率高等優(yōu)點。因而可廣泛應(yīng)用于個人數(shù)字助理(PDA)、數(shù)碼相機(jī)、蜂窩式移動電話及游戲機(jī)等電子產(chǎn)品中，但應(yīng)說明的是，使用LM2731同時還應(yīng)注意其PCB板的布局、布線等問題。