LTC7806：高性能2相單輸出同步升壓控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的電源管理芯片對(duì)于設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要。LTC7806作為一款高性能的2相單輸出同步升壓控制器，在諸多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了卓越的性能。今天，我們就來(lái)深入探討一下LTC7806的特性、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、LTC7806的特性亮點(diǎn)

1. 2相操作優(yōu)勢(shì)

LTC7806采用2相操作，這一特性大大降低了所需的輸入和輸出電容，同時(shí)減少了電源引起的噪聲。與單相同步升壓控制器相比，2相操作允許使用更小的電感，并且提高了效率，減少了散熱需求。

2. 寬輸入電壓范圍

其輸入電壓范圍為4.5V至40V，啟動(dòng)后甚至可以低至1V運(yùn)行，輸出電壓最高可達(dá)40V。這種寬輸入電壓范圍使得LTC7806適用于各種不同的電源環(huán)境。

3. 低靜態(tài)電流

低工作靜態(tài)電流僅為18μA，關(guān)機(jī)時(shí)靜態(tài)電流更是低至1.5μA，這對(duì)于電池供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要，可以有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。

4. 同步整流與PassThru功能

同步整流提高了效率，減少了功率損耗，而PassThru功能在汽車啟停應(yīng)用中可以將損耗降至最低。

5. 頻率靈活性

具有可編程固定頻率（100kHz至3MHz）和鎖相頻率（100kHz至3MHz）的功能，還支持?jǐn)U頻操作，可有效降低電磁干擾（EMI）。

6. 多種輕載操作模式

可選擇連續(xù)、脈沖跳過(guò)或低紋波Burst Mode?操作，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)效率和輸出紋波的要求。

二、工作原理剖析

1. 主控制回路

LTC7806采用恒定頻率、峰值電流模式架構(gòu)，兩個(gè)通道以180°異相運(yùn)行。在正常操作中，主開(kāi)關(guān)（外部底部MOSFET）在時(shí)鐘信號(hào)使SR鎖存器置位時(shí)導(dǎo)通，電感電流增加；當(dāng)主電流比較器ICMP使SR鎖存器復(fù)位時(shí)，主開(kāi)關(guān)關(guān)閉。之后，同步開(kāi)關(guān)（外部頂部MOSFET）導(dǎo)通，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。

2. 電源與偏置供應(yīng)

INTVCC引腳為頂部和底部MOSFET驅(qū)動(dòng)器以及大部分內(nèi)部電路供電。VBIAS和EXTVCC引腳的LDO可提供5.4V的INTVCC電源。當(dāng)EXTVCC引腳電壓低于4.65V時(shí)，VBIAS LDO供電；當(dāng)EXTVCC引腳電壓高于4.65V時(shí)，EXTVCC LDO供電。

3. 關(guān)機(jī)與啟動(dòng)

通過(guò)拉低RUN引腳至1.1V以下可關(guān)閉主控制回路，拉低至0.7V以下可禁用大部分內(nèi)部電路，此時(shí)靜態(tài)電流僅為1.5μA。啟動(dòng)時(shí)，SS引腳控制輸出電壓的軟啟動(dòng)，通過(guò)內(nèi)部12.5μA的上拉電流對(duì)外部電容充電，使輸出電壓平滑上升。

4. 輕載操作模式

• Burst Mode：效率最高，電感電流不允許反向，在輕載時(shí)進(jìn)入低電流睡眠模式。
• 強(qiáng)制連續(xù)模式：電感電流在輕載時(shí)允許反向，輸出電壓紋波低，對(duì)音頻電路干擾小。
• 脈沖跳過(guò)模式：在輕載時(shí)保持恒定頻率操作，輸出紋波和音頻噪聲較低，效率介于Burst Mode和強(qiáng)制連續(xù)模式之間。

5. 頻率選擇與鎖相環(huán)

通過(guò)FREQ引腳選擇自由運(yùn)行的開(kāi)關(guān)頻率，可在100kHz至3MHz之間編程。PLLIN/SPREAD引腳可實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)功能，將內(nèi)部振蕩器與外部時(shí)鐘源同步，還可啟用擴(kuò)頻模式以改善EMI性能。

6. 多相應(yīng)用

CLKOUT引腳可用于在多相系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)多個(gè)LTC7806，實(shí)現(xiàn)多相解決方案，進(jìn)一步降低輸入和輸出電壓紋波。

7. 過(guò)壓模式選擇

OVMODE引腳用于選擇過(guò)壓事件時(shí)的操作模式。接地時(shí)，啟用過(guò)壓保護(hù)，頂部MOSFET持續(xù)導(dǎo)通；接INTVCC時(shí)，禁用過(guò)壓保護(hù)，控制器的行為取決于所選的操作模式。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電感選擇

電感值的選擇與工作頻率密切相關(guān)。較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)降低效率。一般來(lái)說(shuō)，合理的紋波電流設(shè)置為ΔIL = 0.3 · IL(MAX)，最大紋波電流發(fā)生在VIN = VOUT / 2時(shí)。同時(shí)，要考慮電感的飽和電流，避免電感飽和導(dǎo)致輸出電壓紋波增大。

2. 電流感測(cè)選擇

LTC7806可配置為使用DCR（電感電阻）感測(cè)或低值電阻感測(cè)。DCR感測(cè)節(jié)省成本且功率效率高，但電流感測(cè)電阻提供更準(zhǔn)確的電流限制。在選擇時(shí)，要根據(jù)成本、功耗和精度進(jìn)行權(quán)衡。

3. 工作頻率設(shè)置

工作頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。高頻操作允許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；低頻操作可提高效率，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。

4. 輕載操作模式選擇

根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的輕載操作模式。如果對(duì)效率要求較高，可選擇Burst Mode；如果對(duì)輸出電壓紋波和音頻噪聲要求較低，可選擇強(qiáng)制連續(xù)模式或脈沖跳過(guò)模式。

5. 功率MOSFET選擇

為每個(gè)通道選擇兩個(gè)外部功率MOSFET，即底部（主）開(kāi)關(guān)和頂部（同步）開(kāi)關(guān)。要注意MOSFET的BVDSS規(guī)格和邏輯電平閾值，同時(shí)考慮導(dǎo)通電阻RDS(ON)、米勒電容CMILLER、輸入電壓和最大輸出電流等因素。

6. CIN和COUT選擇

2相架構(gòu)降低了CIN和COUT的要求。輸入電容CIN的電壓額定值應(yīng)超過(guò)最大輸入電壓，其值取決于源阻抗和占空比。輸出電容COUT應(yīng)根據(jù)輸出電壓紋波要求選擇，要考慮ESR和體電容的影響。

7. PCB布局

PCB布局對(duì)LTC7806的性能至關(guān)重要。要將底部和頂部N通道MOSFET與COUT放置在一個(gè)緊湊的區(qū)域，保持信號(hào)和功率地分開(kāi)，將VFB引腳的電阻分壓器連接到COUT的(+)端子，將SENSE*和SENSE引腳的走線靠近，將INTVCC去耦電容靠近IC放置，避免開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)相互干擾。

四、設(shè)計(jì)實(shí)例

假設(shè)輸入電壓VIN = 12V（標(biāo)稱），范圍為8V至20V，輸出電壓VOUT = 24V，最大電流IMAX = 8A（每相IOUT(MAX) = 4A），VSENSE(MAX) = 50mV，頻率f = 1MHz。

• 頻率設(shè)置：使用FREQ引腳連接一個(gè)37kΩ的電阻至地，以設(shè)置1MHz的開(kāi)關(guān)頻率。
• 電感選擇：選擇2.4μH的電感，可產(chǎn)生31%的紋波電流，峰值電感電流為9.25A。
• 電流感測(cè)電阻：計(jì)算得到等效Rsense電阻值約為0.004Ω，可選擇更低的值以留有余量。
• 輸出電壓設(shè)置：可選擇VPRG引腳浮空，使用1%的反饋電阻RA = 11.3k和RB = 215k設(shè)置輸出電壓；也可將VPRG引腳接地，直接將VFB引腳連接到VOUT，以節(jié)省組件成本并降低靜態(tài)電流。
• MOSFET選擇：底部MOSFET選擇具有較高RDS(ON)和較低柵極電荷的器件，以減少過(guò)渡損耗；頂部MOSFET選擇具有較低RDS(ON)和較高柵極電荷的器件，以減少I2R損耗。
• 輸出電容：選擇兩個(gè)10μF的電容，可處理6A的RMS電流，ESR為0.0025Ω。
• 輸入電容：選擇一個(gè)4.7uF的陶瓷電容，可吸收0.72A的RMS電感紋波電流。
• 軟啟動(dòng)電容：選擇0.1μF的電容用于SS引腳，實(shí)現(xiàn)10ms的軟啟動(dòng)。

五、總結(jié)

LTC7806作為一款高性能的2相單輸出同步升壓控制器，具有眾多優(yōu)秀的特性和靈活的應(yīng)用設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電感、電流感測(cè)方式、工作頻率、輕載操作模式、功率MOSFET、輸入和輸出電容等組件，并注意PCB布局的合理性，以確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和高效性。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用LTC7806，設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的電源管理電路。

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