深度解析LTC7892：高性能雙路升壓控制器的卓越之選

一、引言

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，對(duì)于高性能、高效率的升壓控制器的需求始終不斷攀升。特別是在面對(duì)氮化鎵（GaN）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的應(yīng)用時(shí)，傳統(tǒng)的控制器往往暴露出各種挑戰(zhàn)。而Analog Devices推出的LTC7892雙路同步升壓控制器，憑借其專(zhuān)為GaN FET優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以及一系列出色的特性，為電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了全新的解決方案。

文件下載：LTC7892.pdf

二、LTC7892的特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 GaN驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化

LTC7892采用了完全針對(duì)GaN FET優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。這種技術(shù)使得LTC7892在驅(qū)動(dòng)GaN FET時(shí)能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，不僅有效地減少了開(kāi)關(guān)損耗，還顯著提高了系統(tǒng)的整體效率。相較于傳統(tǒng)的MOSFET解決方案，LTC7892無(wú)需額外的保護(hù)二極管和其他外部組件，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本和電路板空間的占用。

2.2 寬電壓范圍與低靜態(tài)電流

該控制器具有寬輸入電壓范圍（4V至60V），并且在啟動(dòng)后能夠低至1V繼續(xù)工作，輸出電壓最高可達(dá)100V，這使得它能夠適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，其低靜態(tài)電流（15μA）特性，在輕負(fù)載時(shí)能夠有效降低功耗，延長(zhǎng)電池的使用壽命，對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的設(shè)備來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

2.3 靈活的死區(qū)時(shí)間控制與驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整

LTC7892的死區(qū)時(shí)間可以通過(guò)外部電阻進(jìn)行調(diào)整，范圍在7ns到60ns之間。這種靈活的死區(qū)時(shí)間控制有助于優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能，減少開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的效率。此外，其分裂輸出柵極驅(qū)動(dòng)器可以獨(dú)立調(diào)整導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了控制器對(duì)不同類(lèi)型FET的兼容性和適應(yīng)性。

2.4 可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電壓與欠壓鎖定

LTC7892的柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以精確地從4V調(diào)整到5.5V，這使得它能夠適應(yīng)不同類(lèi)型的GaN FET甚至邏輯電平MOSFET的使用，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。同時(shí)，其精確的欠壓鎖定（UVLO）功能可以確保在電源電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，控制器能夠自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)系統(tǒng)免受損壞。

2.5 可編程頻率與頻譜擴(kuò)展功能

控制器的工作頻率可以在100kHz至3MHz之間進(jìn)行編程，并且支持同步功能。此外，頻譜擴(kuò)展功能可以有效地降低電磁干擾（EMI），提高系統(tǒng)的電磁兼容性，滿(mǎn)足各種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)EMI的要求。

三、工作原理剖析

3.1 主控制環(huán)路

LTC7892采用了恒定頻率、峰值電流模式架構(gòu)的雙路同步升壓控制。兩個(gè)控制通道相差180°相位工作，這種設(shè)計(jì)有效地減少了所需的輸入電容和電源產(chǎn)生的噪聲。在正常工作時(shí)，外部底部FET在時(shí)鐘置位SR鎖存器時(shí)導(dǎo)通，使電感電流增加；當(dāng)主電流比較器ICMP復(fù)位SR鎖存器時(shí)，主開(kāi)關(guān)關(guān)閉。底部FET每個(gè)周期關(guān)閉后，頂部FET導(dǎo)通，使電感電流減小，直到電感電流開(kāi)始反向或下一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始。

3.2 電源與偏置供應(yīng)

LTC7892的引腳為頂部和底部FET驅(qū)動(dòng)器以及大部分內(nèi)部電路提供電源。FET驅(qū)動(dòng)器的電源來(lái)自DRV引腳，該引腳必須連接到INTV引腳以向柵極驅(qū)動(dòng)器供電。VBIAS和EXTV引腳提供低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），可以為INTV提供電源，通過(guò)DRVSET引腳的控制，INTV的電壓可以在4V至5.5V之間進(jìn)行編程。當(dāng)EXTV引腳的電壓低于其切換電壓時(shí)，VBIAS LDO為INTV供電；當(dāng)EXTV引腳的電壓高于其切換電壓時(shí)，EXTV LDO開(kāi)啟，為INTV供電。

3.3 高端自舉電容

每個(gè)頂部FET驅(qū)動(dòng)器由浮動(dòng)自舉電容CB偏置，當(dāng)?shù)撞縁ET導(dǎo)通時(shí)，CB通常通過(guò)BOOSTx和DRV之間的內(nèi)部開(kāi)關(guān)進(jìn)行充電。當(dāng)?shù)撞縁ET關(guān)閉時(shí)，內(nèi)部開(kāi)關(guān)呈現(xiàn)高阻抗，防止在死區(qū)時(shí)間內(nèi)SWx低于地電位時(shí)自舉電容過(guò)充。

四、應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)考量

4.1 電感選擇與計(jì)算

電感值的選擇與工作頻率密切相關(guān)。較高的工作頻率可以使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加FET的開(kāi)關(guān)和柵極電荷損耗，降低效率。因此，在選擇電感時(shí)，需要綜合考慮工作頻率、紋波電流和低電流操作等因素。電感紋波電流的計(jì)算公式為： [ Delta I{L}=frac{1}{f cdot L} V{IN}left(1-frac{V{IN}}{V{OUT }}right) ] 一般來(lái)說(shuō)，合理的紋波電流起始值可以設(shè)定為ΔIL = 0.3·IL(MAX)。在選擇電感時(shí)，還需要注意電感的類(lèi)型，對(duì)于高效率的調(diào)節(jié)器，通常需要使用鐵氧體或鉬坡莫合金等低損耗的磁芯材料。

4.2 電流感測(cè)方案

LTC7892可以配置為使用電感直流電阻（DCR）感測(cè)或低值電阻感測(cè)。DCR感測(cè)可以節(jié)省昂貴的電流感測(cè)電阻，并且在高電流應(yīng)用中更具功率效率；而電流感測(cè)電阻則可以為控制器提供最準(zhǔn)確的電流限制。在選擇電流感測(cè)方案時(shí)，需要綜合考慮成本、功耗和準(zhǔn)確性等因素。

4.3 工作頻率與輕載操作模式選擇

工作頻率的選擇需要在效率和組件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。較高的頻率可以使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)和柵極電荷損耗；較低的頻率可以提高效率，但需要更大的電感值和/或更多的輸出電容來(lái)保持低輸出紋波電壓。LTC7892可以設(shè)置為在輕負(fù)載電流時(shí)進(jìn)入高效突發(fā)模式（Burst Mode）、恒定頻率脈沖跳躍模式（PS模式）或強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式（FCM）。在選擇輕載操作模式時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用的具體需求來(lái)決定。例如，突發(fā)模式在輕負(fù)載時(shí)具有最高的效率，但輸出電壓紋波較大；FCM的輸出電壓紋波較小，但在輕負(fù)載時(shí)效率較低；PS模式則在輕負(fù)載效率、輸出紋波和EMI之間取得了較好的平衡。

4.4 輸出電壓設(shè)置與軟啟動(dòng)

LTC7892的輸出電壓通過(guò)外部反饋電阻分壓器進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算公式為： [ V{OUT }=1.2 Vleft(1+frac{R{B}}{R_{A}}right) ] 在設(shè)置輸出電壓時(shí)，需要注意將反饋電阻靠近V引腳放置，以減少PCB走線長(zhǎng)度和敏感節(jié)點(diǎn)的噪聲干擾。同時(shí)，LTC7892的軟啟動(dòng)功能可以通過(guò)SSx引腳實(shí)現(xiàn)，當(dāng)SSx引腳的電壓低于內(nèi)部1.2V參考電壓時(shí)，控制器將VFBx引腳的電壓調(diào)節(jié)到SSx引腳的電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平滑上升。

五、設(shè)計(jì)示例分析

假設(shè)一個(gè)應(yīng)用中，標(biāo)稱(chēng)輸入電壓VIN(NOMINAL) = 12V，輸出電壓VOUTx = 24V，輸出電流IOUT = 4A，工作頻率f = 1MHz。以下是設(shè)計(jì)該應(yīng)用電路的步驟：

5.1 設(shè)定工作頻率

由于工作頻率不是內(nèi)部預(yù)設(shè)值，需要在FREQ引腳和地之間連接一個(gè)電阻，電阻值可以根據(jù)以下公式計(jì)算： [ R{FREQ}( in k Omega)=frac{37 MHz}{f{osc }} = 37kOmega ]

5.2 確定電感值

首先選擇一個(gè)基于電感紋波電流為30%的值，然后根據(jù)公式計(jì)算電感值： [ L=frac{V{IN}}{f cdot Delta I{L}}left(1-frac{V{IN}}{V{OUT }}right)=2.4 mu H ]

5.3 驗(yàn)證最小導(dǎo)通時(shí)間

需要驗(yàn)證最小導(dǎo)通時(shí)間是否滿(mǎn)足要求，計(jì)算公式為： [ t{ON(MIN)}{OUT}-V{IN}}{V{OUT} cdot f} ] 在本設(shè)計(jì)中，最小導(dǎo)通時(shí)間為166ns，大于LTC7892的最小導(dǎo)通時(shí)間（約100ns），滿(mǎn)足要求。