LT8393：高性能同步4開關(guān)降壓 - 升壓LED驅(qū)動控制器解析

一、引言

在電子工程領(lǐng)域，LED驅(qū)動控制器的性能直接影響著LED照明系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和調(diào)光效果。ADI公司的LT8393作為一款同步4開關(guān)降壓 - 升壓LED控制器，憑借其獨(dú)特的架構(gòu)和豐富的功能，在汽車、工業(yè)和電池供電系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用價值。本文將深入剖析LT8393的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面，為電子工程師們提供全面的參考。

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二、產(chǎn)品特點(diǎn)

2.1 寬電壓范圍

LT8393支持4V至60V的輸入電壓范圍和0V至100V的輸出電壓范圍，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的電源環(huán)境。無論是輸入電壓高于、低于還是等于輸出電壓，都能實(shí)現(xiàn)對LED電流的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，為不同的應(yīng)用場景提供了極大的靈活性。

2.2 高效節(jié)能

采用專有峰值降壓 - 峰值升壓電流模式控制方案，效率高達(dá)95%，有效降低了能源損耗。在不同的工作區(qū)域（降壓、降壓 - 升壓、升壓）之間能夠?qū)崿F(xiàn)無縫低噪聲過渡，確保了系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 精確調(diào)光

提供內(nèi)部（高達(dá)128:1）和外部（高達(dá)2000:1）的LED電流PWM調(diào)光功能，以及靈活的20:1模擬調(diào)光功能，LED電流精度達(dá)到±4%。同時，具有10V的高端PMOS柵極驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)無閃爍的擴(kuò)頻操作，有效降低了電磁干擾（EMI）。

2.4 故障保護(hù)

具備開路和短路LED保護(hù)功能，并能進(jìn)行故障報告。在檢測到LED開路或短路故障時，可選擇重試、鎖定關(guān)閉或繼續(xù)運(yùn)行等模式，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.5 汽車級認(rèn)證

通過AEC - Q100認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用，滿足了汽車電子對可靠性和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。

三、工作原理

3.1 功率開關(guān)控制

LT8393采用四個外部N溝道功率MOSFET（兩個頂部開關(guān)和兩個底部開關(guān)），通過電感電流感測電阻（RSENSE）提供電感電流信息，實(shí)現(xiàn)對四個功率開關(guān)的精確控制。根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的比值，控制器在降壓、降壓 - 升壓和升壓區(qū)域之間進(jìn)行平滑切換，確保了不同工作模式下的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 主控制回路

作為固定頻率電流模式控制器，LT8393通過電感感測電阻感測電感電流，并將電流感測電壓與斜坡補(bǔ)償信號相加，然后輸入到降壓電流比較器和升壓電流比較器的正端。比較器的負(fù)端由VC引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA1和EA2的二極管或輸出。在正常運(yùn)行時，根據(jù)峰值降壓 - 峰值升壓電流模式控制的狀態(tài)，降壓邏輯或升壓邏輯控制四個功率開關(guān)，使FB電壓調(diào)節(jié)到1V或ISP和ISN引腳之間的電流感測電壓由CTRL引腳調(diào)節(jié)。

3.3 輕載電流操作

在輕載情況下，LT8393通常仍以全開關(guān)頻率運(yùn)行，無論是在連續(xù)導(dǎo)通模式還是不連續(xù)導(dǎo)通模式。由于降壓和升壓反向電流感測閾值均設(shè)置為 - 4mV，允許少量能量在每個周期從輸出流向輸入，從而防止脈沖跳過頻率低于100Hz，避免了LED燈串閃爍。

3.4 內(nèi)部充電路徑

每個頂部MOSFET驅(qū)動器由其浮動自舉電容偏置，當(dāng)頂部MOSFET關(guān)閉時，自舉電容通常通過外部和內(nèi)部自舉二極管由INTVCC充電。當(dāng)LT8393僅在降壓或升壓區(qū)域運(yùn)行時，一個頂部MOSFET始終導(dǎo)通，此時內(nèi)部充電路徑（從VOUT和BST2到BST1或從VIN和BST1到BST2）將自舉電容充電至4.6V，以保持頂部MOSFET導(dǎo)通。

3.5 啟動和故障保護(hù)

在啟動過程中，LT8393通過SS引腳進(jìn)行軟啟動設(shè)置，確保輸出電壓平穩(wěn)上升。在故障保護(hù)方面，當(dāng)檢測到LED開路或短路故障時，控制器根據(jù)不同的設(shè)置模式采取相應(yīng)的措施，如打嗝模式、鎖定關(guān)閉模式或繼續(xù)運(yùn)行模式。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)

4.1 開關(guān)頻率選擇

開關(guān)頻率的選擇是效率和元件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作可通過減少M(fèi)OSFET開關(guān)損耗提高效率，但需要更大的電感和電容值；高頻操作則可減小元件尺寸，但會增加開關(guān)損耗。在噪聲敏感系統(tǒng)中，應(yīng)選擇合適的開關(guān)頻率以避免開關(guān)噪聲進(jìn)入敏感頻段。

4.2 電感選擇

電感值與開關(guān)頻率密切相關(guān)，較高的開關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值。電感值直接影響紋波電流，客戶可根據(jù)允許的電感電流紋波計(jì)算最小電感值。同時，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，還需考慮斜坡補(bǔ)償所需的最小電感值。

4.3 RSENSE選擇和最大輸出電流

RSENSE的選擇基于所需的輸出電流。根據(jù)不同工作區(qū)域（降壓、升壓）的最大電流感測閾值，可計(jì)算出相應(yīng)區(qū)域的最大電流感測RSENSE值，最終RSENSE值應(yīng)低于降壓和升壓區(qū)域的計(jì)算值，并保留一定的余量。

4.4 功率MOSFET選擇

LT8393需要四個外部N溝道功率MOSFET，選擇時需考慮擊穿電壓VBR(DSS)、閾值電壓VGS(TH)、導(dǎo)通電阻RDS(ON)、反向傳輸電容CRSS和最大電流IDS(MAX)等參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)高頻操作，應(yīng)選擇低Qg和低RDS(ON)的高性能功率MOSFET。同時，需確?？偹璧腎NTVCC電流不超過數(shù)據(jù)手冊中的電流限制。

4.5 可選肖特基二極管選擇

可選的肖特基二極管DB和DD可在功率MOSFET開關(guān)導(dǎo)通的死區(qū)時間內(nèi)導(dǎo)通，防止同步開關(guān)B和D的體二極管導(dǎo)通并存儲電荷，從而提高轉(zhuǎn)換器效率，降低開關(guān)電壓應(yīng)力。

4.6 CIN和COUT選擇

輸入和輸出電容用于抑制調(diào)節(jié)器輸入和輸出的電壓紋波。通常采用多個電容并聯(lián)的方式，以實(shí)現(xiàn)高電容值和低等效串聯(lián)電阻（ESR）。陶瓷電容應(yīng)靠近調(diào)節(jié)器輸入和輸出放置，以抑制高頻開關(guān)尖峰。

4.7 INTVCC調(diào)節(jié)器

內(nèi)部P溝道低壓差調(diào)節(jié)器在INTVCC引腳產(chǎn)生5V電壓，為內(nèi)部電路和柵極驅(qū)動器供電。該調(diào)節(jié)器可提供高達(dá)145mA的峰值電流，需使用至少4.7μF的陶瓷電容進(jìn)行旁路，以滿足MOSFET柵極驅(qū)動器的高瞬態(tài)電流需求。

4.8 頂部柵極MOSFET驅(qū)動器電源

頂部MOSFET驅(qū)動器TG1和TG2由各自的SW和BST引腳電壓驅(qū)動，自舉電容CBST1和CBST2通常在相應(yīng)頂部MOSFET關(guān)閉時通過外部和內(nèi)部自舉二極管充電。外部自舉二極管建議用于升壓側(cè)和降壓側(cè)，以確保在2MHz頻率下能夠刷新頂部MOSFET。

4.9 編程VIN UVLO

通過從VIN到EN/UVLO引腳的電阻分壓器可實(shí)現(xiàn)VIN欠壓鎖定（UVLO）功能。EN/UVLO引腳的使能下降閾值為1.220V，具有10mV的滯后。該引腳在電壓低于1.220V時會吸收2.5μA的電流，可用于編程VIN UVLO滯后。

4.10 編程LED電流

通過在LED燈串中串聯(lián)適當(dāng)值的電流感測電阻RLED，并將CTRL引腳連接到高于1.35V的電壓，可實(shí)現(xiàn)全量程100mV（典型值）的感測電阻閾值。CTRL引腳還可用于調(diào)節(jié)LED電流至零，但相對精度會隨著感測閾值的降低而降低。

4.11 調(diào)光控制

LT8393提供兩種調(diào)光方法：模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。PWM調(diào)光方法具有更高的調(diào)光比且無顏色偏移，為提高PWM調(diào)光的準(zhǔn)確性，可在PWM信號為低電平時將開關(guān)需求電流存儲在VC節(jié)點(diǎn)上。同時，建議在LED電流路徑中使用高端PMOS PWM開關(guān)，以防止輸出電容在PWM信號低電平期間放電。

4.12 高端PMOS PWM開關(guān)選擇

高端PMOS PWM開關(guān)可提高PWM調(diào)光比，并在故障條件下保護(hù)LED燈串。選擇時需考慮漏 - 源電壓VDS、柵 - 源閾值電壓VGS(TH)和連續(xù)漏極電流ID等參數(shù)，確保其滿足系統(tǒng)要求。

4.13 編程輸出電壓和閾值

通過FB引腳可編程恒定電壓輸出，輸出電壓可根據(jù)反饋電阻R3和R4的值進(jìn)行設(shè)置。同時，F(xiàn)B引腳還可設(shè)置輸出過壓閾值、開路LED閾值和短路LED閾值，以保護(hù)系統(tǒng)安全。

4.14 FAULT引腳

FAULT引腳為開漏狀態(tài)引腳，在檢測到LED開路或短路故障時會被拉低。該引腳的狀態(tài)在SS引腳電壓高于1.75V且PWM信號為高電平時更新。

4.15 軟啟動和故障保護(hù)

SS引腳用于設(shè)置軟啟動時間，通過連接外部電容到地，內(nèi)部12.5μA的上拉電流對電容充電，使輸出電壓平穩(wěn)上升。同時，SS引腳還可作為故障定時器，在檢測到故障時，1.25μA的下拉電流源會被激活。通過在SS引腳和VREF引腳之間連接單個電阻，可設(shè)置三種不同的故障保護(hù)模式：打嗝模式、鎖定關(guān)閉模式和繼續(xù)運(yùn)行模式。

4.16 環(huán)路補(bǔ)償

LT8393使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器，其輸出VC用于補(bǔ)償控制環(huán)路。外部電感、輸出電容以及補(bǔ)償電阻和電容決定了環(huán)路的穩(wěn)定性。對于典型的LED應(yīng)用，在VC引腳使用3.3nF至22nF的補(bǔ)償電容，并串聯(lián)一個電阻以提高VC引腳的壓擺率，可在轉(zhuǎn)換器輸入電源快速瞬變時保持更嚴(yán)格的LED電流調(diào)節(jié)。

4.17 效率考慮

開關(guān)調(diào)節(jié)器的功率效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。分析LT8393電路中的主要損耗源（如DC I2R損耗、過渡損耗、INTVCC電流、CIN和COUT損耗等），有助于確定限制效率的因素，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)。在調(diào)整電路以提高效率時，輸入電流是效率變化的最佳指示。

五、PCB布局要點(diǎn)

5.1 基本布局要求

PCB布局需要專用的接地平面層，對于大電流應(yīng)用，多層板可提供功率元件的散熱功能。接地平面層應(yīng)無走線，并盡可能靠近功率MOSFET所在層。

5.2 元件布局

將CIN、開關(guān)A、開關(guān)B和DB放置在一個緊湊的區(qū)域，將COUT、開關(guān)C、開關(guān)D和DD放置在另一個緊湊的區(qū)域。使用直接過孔將元件連接到接地平面，每個功率元件使用多個大過孔。

5.3 信號和電源接地分離

分離信號和電源接地，所有小信號元件應(yīng)從底部返回到暴露的GND焊盤，然后在靠近開關(guān)B和開關(guān)C源極的位置連接到功率GND。

5.4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處理

將開關(guān)A和開關(guān)C盡可能靠近控制器放置，保持功率GND、BG和SW走線短。避免高dV/dT的SW1、SW2、BST1、BST2、TG1和TG2節(jié)點(diǎn)靠近敏感的小信號節(jié)點(diǎn)。

5.5 電流感測和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接

將LSP和LSN走線一起布線，最小化PCB走線間距，避免感測線穿過噪聲區(qū)域。在LSP和LSN之間的濾波電容應(yīng)盡可能靠近IC。確保在RSENSE電阻處使用開爾文連接以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流感測，建議使用低ESL感測電阻。將VC引腳補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)靠近IC連接在VC和信號地之間，以過濾PCB噪聲和輸出電壓紋波對補(bǔ)償環(huán)路的影響。

5.6 其他連接要點(diǎn)

將INTVCC旁路電容CINTVCC靠近IC連接在INTVCC和功率地之間，該電容承載MOSFET驅(qū)動器的電流峰值。

六、典型應(yīng)用

6.1 高效350kHz 2.5V至80V降壓 - 升壓LED驅(qū)動器

該應(yīng)用電路具有低EMI特性，適用于多種輸入電壓范圍（9V至18V，36V瞬態(tài)）和輸出電壓范圍（2V至80V），可實(shí)現(xiàn)300mA的LED電流驅(qū)動，效率高達(dá)93%。

6.2 高效2MHz降壓 - 升壓控制器驅(qū)動高電流（1.5A）LED

該應(yīng)用電路適用于6V至32V的連續(xù)輸入電壓和4V至56V的瞬態(tài)輸入電壓，可驅(qū)動16V 1.5A的LED，開關(guān)頻率為2MHz，能夠滿足高功率LED驅(qū)動的需求。

七、總結(jié)

LT8393作為一款高性能的同步4開關(guān)降壓 - 升壓LED驅(qū)動控制器，憑借其寬電壓范圍、高效節(jié)能、精確調(diào)光、故障保護(hù)等特點(diǎn)，為電子工程師在設(shè)計(jì)LED照明系統(tǒng)時提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理選擇外部元件、優(yōu)化PCB布局和進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，能夠充分發(fā)揮LT8393的性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可靠的LED驅(qū)動解決方案。電子工程師們在面對不同的應(yīng)用場景時，可以根據(jù)本文提供的詳細(xì)信息，靈活運(yùn)用LT8393，打造出滿足各種需求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。你在使用LT8393的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。