超小型低功耗BOOST变换器LM2731及其应用电路
引言
LM2731是美国国家半导体公司(NS)生产的超小型低功耗BOOST变换器。该器件采用模拟双极型CMOS DMOS (ABCD)150制造工艺，因而具有很高的功率密度，并可减化外围电路的设计复杂性，同时可使BOOST变换器的效率和可靠性大幅度提高。因此，该BOOST变换器以其功耗低、成本低廉、电路简单、效率高等特点，可被广泛应用于个人数字助理(PDA)、数码相机、蜂窝式移动电话等各种手持式电子产品中。
1 LM2731的性能特点
LM2731有两种不同的版本。在器件型号中，后缀为X的产品的开关频率约1.6 MHz，最高可达1.85 MHz，而后缀为Y的开关频率约1600 kHz。最高可达0.8 MHz。
LM2731可用于驱动3只或4只白色发光二极管，可在宽输人电压下工作，其具体特点如下：
◇内部DMOS功率场效应管能承受22 V的DC电压;
◇在VIN为5 V、ISW为100mA的情况下，其导通输出电阻RDS(ON)小于260mΩ;
◇由于其允许采用小封装电感和微型SMD陶瓷电容器，故可减小器件安装空间;
◇内置斜率补偿电路，因而可省去外接RC补偿电路;
◇工作电压范围为2.7～14 V;输出电压范围为5～17 V，最高可达20 V;
◇输出电流ISW可达1.8A;
◇带有节能控制功能，在待机状态时，整个变换器的耗电电流小于1μA，因而可以大大延长电池的使用寿命;
◇超低功耗：LM2731X的静态电流为2 mA，LM2731Y的静态电流为1 mA;
◇支持先进的电流模式控制，在宽输入电压范围内具备良好的负载调整率，并可消除音频及电子噪声;
◇在2.7 V≤VIN≤14 V下的线性调整率为0.02%/V(典型值);
◇最大占窄比：LM2731X为93%，LM2731Y为96%;
◇开关管漏电流可低至1μA;
◇带有过热、过流、、欠压保护功能，热关闭门限温度为150℃;
◇工作温度在-40～125℃。
2 引脚功能与内部结构
LM2731采用小型5脚SOT-23封装，图1所示是其引脚排列图，各引脚的功能如下：
SW：内部功率场效应管的漏极，其外部应连接一电感;
GND：接地端;
FB：输出电压调整端。使用时，芯片的FB脚应外接到电阻分压器的中间点，其分压比可用于决定输出电压，LM2731的FB脚的电压调整范围为1.205～1.255 V;当VFB=1.23 V时，FB脚的输入偏置电流IFB约60 nA。
SHDN：待机控制端，当SHDN脚上电压高于1.5 V上限门限值时，电源开通，当SHDN脚上电压低于0.5V下限门限值时，电源关闭，IC进入待机省电状态。
VIN：电源电压输入端，使用时应外接一个4.7～22μF的低ESR值滤波电容，且该电容应尽可能接近VIN脚，以减小输入纹波电压。
LM2731内置22 V/1.8 A功率MOSFET、PWM比较器、振荡器、锯齿波发生器、加法器、过流限制比较器、驱动器、待机控制电路及过热关闭等电路，其内部结构如图2所示。
3 应用电路
3.1 典型应用电路
由LM2731Y组成的BOOST变换器应用电路如图3所示。该电路在上电时，其外接电源电压分成两路：一路加至VIN管脚来为芯片控制电路提供偏置电压;另一路经电感送到内部DMOS管的漏极及续流二极管的负极，以便为功率回路提供电流。当内部DMOS管导通时，流经L1中的电流从零逐渐增大，同时将电能储存在L1中。一旦电流达到极限电流值，其内部DMOS管将关断，L1中电流经VD对负载供电。
输入电容主要用于滤除电源中的纹波电压，建议采用X5R或X7R介质材料的陶瓷电容，其容值可在2.2～6.8μF之间选择。输出电窬既能维持输出电压，也能平滑因MOSFET开关产生的纹波电压(存N沟道MOSFET导通时，由输出电容向负载供电)。在保证足够带宽的前提下，应选择ESR(串联等效电阻)和ESL(串联等效电感)小、耐压值高的输出电容，例如X5R或X7R (ESR值小于0.3Ω)介质材料的陶瓷电容。其容值应根据输出电流的大小来选择。
电感是升压变换器的关键元件，其取值大小直接影响整个电路的正常工作。如果需要追求高效率，最好选择参数较小的电感。在选择电感时，需要根据输出电流、LM2731的工作频率、电感的直流电阻、电感的额定电流和纹波电压等条件来综合决定。设计时推荐的电感值取值范围为2.2～10μH。
用户通过选择不同参数的外设电阻可以调节LM2731Y的输出电压，R1一般取13.3 kΩ，当R2取40.5 kΩ时，其输出电压VOUT为5 V，输出电流IOUT为700 mA;而当R2取117 kΩ时，其输出电压Votr，为12 V，输出电流，o岍为230 mA。
3.2 基于LM2731X的背光显示驱动电路
采用LM2731X实现的背光显示驱动电路如图4所示，在该电路中背光显示由四只白色LED组成，R1、R2用于调节LM2731X的输出电压，当R1取13.3 kΩ，R2取84 kΩ时，输出电压VOUT为9V。CF为高频旁路电容，阻止器件产生振荡，R4、R5为限流电阻，用于调节两组LED的亮度。C2用于电源纹波抑制。该电路的最大驱动电流IOUT为240 mA，可直接为四只高亮白色LED提供稳定的偏置电流，以保证白色LED具有均匀的亮度分布。
3.3 基于LM2731Y的闪光灯电路
采用LM2731Y变换器实现的闪光灯电路如图5所示。LM2731Y设有适合“闪光灯”(FLASH)应用的高电流亮度模式，驱动器可输出高达1.8A的电流。该闪光灯电路由三只超高亮度的白色LED串联组成，通过串联一个120 Ω电阻(R2)接地，来使分压器的中间点接FB端，R2用于峰值电流调节。SHDN脚用作“闪光灯”(FLASH)控制端，在该脚外加开关脉冲信号(如微处理器发出的控制信号)即可驱动三只超高亮的白色LED，实现“闪光灯”功能，从而为数码相机、PDA在夜间拍摄景物提供光源。为了提高变换器的输出电压，L1应选用较小电感，厂家给出的L1的参数为1.5μH，并要求电感器的直流电阻小于0.05 Ω，以减小直流损耗。
4 LM2731的PCB布线布局
使用LM2731芯片时，应当注意其PCB板的分布和布局。一般情况下，在进行LM2731的PCB设计时，需注意以下几点：
(1)输入电容与输出电容尽可能靠近芯片的相应管脚放置，以减小分布电容、分布电感的影响，提高抑制纹波电压的能力。
(2)反馈端的分压电阻R1、R2应靠近芯片放置，并应保证分压点到FB引脚的走线最短。反馈信号要远离VIN到SW支路之间的走线，以防产生耦合噪声。
(3)输出端的采样信号必须从输出电容的最末端采样，不能从其它地方采样，这样可确保采样信号是真实的负载电压。
(4)电路中的电感应尽量接近VIN和SW引脚，并应当确保主回路的走线短而粗，从而减小对外辐射的能量。
5 结束语
由于选用LM2731组成BOOST变换器具有功耗低、性能稳定、电路简单、效率高等优点。因而可广泛应用于个人数字助理(PDA)、数码相机、蜂窝式移动电话及游戏机等电子产品中，但应说明的是，使用LM2731同时还应注意其PCB板的布局、布线等问题。