深入解析 LTC7872：高性能四相雙向開關(guān)調(diào)節(jié)器控制器

在電子工程師的日常工作中，尋找一款能夠滿足復(fù)雜電源管理需求的高性能控制器至關(guān)重要。LTC7872 作為一款四相、同步雙向降壓或升壓控制器，憑借其獨特的架構(gòu)和豐富的功能，成為了眾多應(yīng)用場景中的理想選擇。本文將深入剖析 LTC7872 的特點、工作原理、應(yīng)用以及設(shè)計要點，幫助工程師更好地理解和應(yīng)用這款控制器。

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一、LTC7872 概述

LTC7872 是一款高性能的雙向降壓或升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器控制器，能夠根據(jù)需求在降壓或升壓模式下運(yùn)行。它可以從 (V{HIGH}) 向 (V{LOW}) 調(diào)節(jié)（降壓模式），也能從 (V{LOW}) 向 (V{HIGH}) 調(diào)節(jié)（升壓模式），特別適用于 48V/12V 汽車雙電池系統(tǒng)。其獨特的架構(gòu)允許對輸入電壓、輸出電壓或電流進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，同時具備精確的電流編程環(huán)路，可調(diào)節(jié)任一方向的最大電流。

特點總結(jié)

1. 獨特架構(gòu)：支持動態(tài)調(diào)節(jié)輸入電壓、輸出電壓或電流，適用于雙電池系統(tǒng)。
2. 寬電壓范圍：(V{HIGH}) 電壓高達(dá) 100V，(V{LOW}) 電壓高達(dá) 60V。
3. 高效同步整流：效率高達(dá) 98%。
4. 先進(jìn)控制模式：采用 ADI 專有先進(jìn)電流模式控制。
5. 高精度調(diào)節(jié)：±1% 電壓調(diào)節(jié)精度。
6. 豐富功能：具備準(zhǔn)確的可編程電感電流監(jiān)測和雙向調(diào)節(jié)、SPI 兼容串行接口、運(yùn)行狀態(tài)和故障報告、可編程 (V{HIGH}) 和 (V{LOW}) 裕度等功能。
7. 多相操作：支持多達(dá) 24 相的多相/多 IC 操作。
8. 多種工作模式：可選 CCM/DCM/Burst 模式操作。
9. 封裝與認(rèn)證：采用熱增強(qiáng)型 48 引腳 LQFP 封裝，正在進(jìn)行 AEC - Q100 認(rèn)證。

二、工作原理

主控制環(huán)路

LTC7872 是一款四通道、等相位工作的雙向、恒頻、電流模式降壓或升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器控制器。在降壓模式下，它作為峰值電流模式恒頻降壓調(diào)節(jié)器工作；在升壓模式下，則作為谷值電流模式恒頻升壓調(diào)節(jié)器工作。通過四個控制環(huán)路（兩個電流環(huán)路和兩個電壓環(huán)路），可以對 (V{HIGH}) 或 (V{LOW}) 的電壓或雙向電流進(jìn)行控制。

在正常降壓模式下，每個周期振蕩器設(shè)置 RS 鎖存器時，頂部 MOSFET 導(dǎo)通；主電流比較器 ICMP 重置 RS 鎖存器時，頂部 MOSFET 關(guān)斷。ICMP 重置 RS 鎖存器的峰值電感電流由 ITH 引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器 EA 的輸出。誤差放大器接收反饋信號并與內(nèi)部 1.2V 參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)負(fù)載電流增加時，反饋引腳電壓相對于 1.2V 參考電壓發(fā)生變化，從而導(dǎo)致 ITH 電壓改變，直到電感的平均電流等于新的負(fù)載電流。頂部 MOSFET 關(guān)斷后，底部同步 MOSFET 導(dǎo)通，直到下一個周期開始。

電流檢測

LTC7872 采用獨特的架構(gòu)來增強(qiáng)信噪比，降低電流檢測偏移。每個通道有兩個正電流檢測引腳 (SNSD+) 和 (SNSA)，它們共享負(fù)電流檢測引腳 (SNS ^{-})。這些檢測引腳獲取信號并在內(nèi)部進(jìn)行處理，以提供相當(dāng)于 DCR 檢測信號的響應(yīng)，信噪比為 14dB（5 倍）。電流限制閾值仍然是電感峰值電流及其 DCR 值的函數(shù)，可以通過 ILIM 引腳以 10mV 為步長在 10mV 至 50mV 之間精確設(shè)置。

電源管理

外部頂部和底部 MOSFET 驅(qū)動器的電源來自 (DRV {CC}) 引腳。(DRV {CC}) 電壓可以通過 DRVSET 引腳設(shè)置為 5V、8V 或 10V。當(dāng) (EXTV {CC}) 引腳開路或連接到低于由 DRVSET 引腳編程的切換閾值的電壓時，內(nèi)部線性穩(wěn)壓器從 (V{HIGH}) 為 (DRV {CC}) 供電；當(dāng) (EXTV {CC}) 高于切換閾值時，(V{HIGH}) 和 (DRV {CC}) 之間的內(nèi)部穩(wěn)壓器關(guān)閉，(EXTV {CC}) 和 (DRV {CC}) 之間的第二個內(nèi)部穩(wěn)壓器開啟。

大多數(shù)內(nèi)部電路由 V5 軌供電，V5 軌由內(nèi)部線性穩(wěn)壓器從 (DRV _{CC}) 生成。V5 引腳需要使用至少 4.7μF 的外部電容器旁路到 SGND，該引腳提供 5V 輸出，可提供高達(dá) 20mA 的電流。

軟啟動

在降壓模式下，默認(rèn)情況下，(V{LOW}) 電壓的啟動由內(nèi)部軟啟動斜坡控制。內(nèi)部軟啟動斜坡作為誤差放大器的同相輸入，(VFB {LOW }) 引腳被調(diào)節(jié)到誤差放大器的三個同相輸入（內(nèi)部軟啟動斜坡、SS 引腳或內(nèi)部 1.2V 參考）中的最低值。隨著斜坡電壓從 0V 上升到 1.2V（約 1ms），(V_{LOW }) 電壓從其預(yù)偏置值平穩(wěn)上升到最終設(shè)定值。

在升壓模式下，相同的內(nèi)部軟啟動電容器和外部軟啟動電容器也處于活動狀態(tài)。升壓模式的誤差放大器在啟動時也試圖調(diào)節(jié)到最低參考值，但升壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制了這種軟啟動機(jī)制的有效性，直到升壓輸出電壓達(dá)到其輸入電壓水平。因此，建議控制器以降壓模式啟動。

頻率選擇與同步

開關(guān)頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作通過減少 MOSFET 開關(guān)損耗來提高效率，但需要更大的電感和/或電容來保持低輸出紋波電壓。

如果 SYNC 引腳接地，F(xiàn)REQ 引腳可用于將控制器的工作頻率編程為 67kHz 至 725kHz。FREQ 引腳有一個精確的 20μA 電流流出，用戶可以使用一個電阻連接到 SGND 來編程控制器的開關(guān)頻率。

為了改善電磁干擾（EMI），LTC7872 可以在擴(kuò)頻模式下運(yùn)行，通過將 SYNC 引腳連接到 V5 來啟用該功能。該功能以低頻速率（默認(rèn)開關(guān)頻率/512）對開關(guān)頻率進(jìn)行三角頻率調(diào)制，調(diào)制范圍為 ±12%。

此外，LTC7872 還具有鎖相環(huán)（PLL），可將內(nèi)部振蕩器同步到連接到 SYNC 引腳的外部時鐘源。PLL 環(huán)路濾波器網(wǎng)絡(luò)集成在 LTC7872 內(nèi)部，能夠鎖定 60kHz 至 750kHz 范圍內(nèi)的任何頻率。

欠壓鎖定

LTC7872 有兩個功能可在欠壓情況下保護(hù)控制器。兩個精密 UVLO 比較器持續(xù)監(jiān)測 V5 和 (DRV {CC}) 電壓，以確保有足夠的電壓。當(dāng) V5 或 (DRV {CC}) 低于欠壓鎖定閾值時，開關(guān)動作停止。為防止 V5 或 (DRV _{CC}) 出現(xiàn)干擾時發(fā)生振蕩，UVLO 比較器具有精確的滯后。

另一種檢測欠壓情況的方法是監(jiān)測 (V{HIGH}) 電源。由于 RUN 引腳具有 1.22V 的精確開啟參考電壓，可以使用一個電阻分壓器連接到 (V{HIGH})，當(dāng) (V_{HIGH}) 足夠高時開啟 IC。RUN 引腳電壓超過 1.22V 后，會有額外的 4μA 電流流出。RUN 比較器本身具有約 80mV 的滯后，通過調(diào)整電阻分壓器的值可以對其進(jìn)行編程。

故障標(biāo)志

FAULT 引腳連接到內(nèi)部 N 溝道 MOSFET 的漏極開路。當(dāng)滿足以下至少一個條件時，F(xiàn)AULT 引腳被拉低：

1. RUN 引腳低于其開啟閾值。
2. V5 或 (DRV _{CC}) 低于其 UVLO 閾值。
3. 三個 OV/UV 比較器中的任何一個觸發(fā)。
4. 在啟動序列中，直到 SS 引腳充電超過 1.2V。
5. 任何通道處于過流故障狀態(tài)。
6. IC 過熱。

電流監(jiān)測與調(diào)節(jié)

電感電流可以使用其 DCR 或 (R_{SENSE }) 電阻進(jìn)行檢測。電流監(jiān)測引腳 IMON 輸出的電壓與 LTC7872 檢測到的四個通道的平均電感電流成正比。IMON 的工作范圍為 0.4V 至 2.5V，當(dāng)平均電感電流為零時，IMON 引腳電壓為 1.25V。在降壓模式下，隨著電感電流增加，IMON 電壓成比例增加；在升壓模式下，隨著電感電流增加，IMON 電壓成比例降低。

可以通過向 SETCUR 引腳施加外部電壓來調(diào)節(jié)最大平均電感電流。SETCUR 引腳電壓應(yīng)設(shè)置為： [V{SETCUR }=frac{K cdot I{L(MAX)} cdot R{SENSE }}{4}] 其中，(I{L(MAX)}) 是包括所有四個通道的最大總平均電感電流。

SETCURP 和 SETCURN 是基于 SETCUR 引腳內(nèi)部生成的電壓： [SETCURP =1.25V + V{SETCUR }] [SETCURN =left|1.25V - V{SETCUR }right|]

SETCURP、SETCURN 和 IMON 是電流調(diào)節(jié)環(huán)路誤差放大器的三個輸入，SETCURP 和 SETCURN 作為參考。當(dāng) IMON 引腳電壓接近 SETCURP 或 SETCURN 時，ITH 引腳控制由電流環(huán)路誤差放大器接管，而不是電壓環(huán)路誤差放大器。由于空載時 IMON 有變化，建議 SETCUR 不要設(shè)置得太小，最小建議 (V_{SETCUR}) 為 50mV - 100mV。

降壓和升壓模式切換

LTC7872 可以通過 BUCK 引腳動態(tài)無縫地在降壓模式和升壓模式之間切換。將該引腳連接到 V5 選擇降壓模式，接地選擇升壓模式。該引腳有一個內(nèi)部上拉電阻，如果懸空則默認(rèn)選擇降壓模式。

對于 (V{HIGH}) 或 (V{LOW}) 調(diào)節(jié)，有兩個獨立的誤差放大器。兩個誤差放大器允許分別對降壓和升壓模式的環(huán)路補(bǔ)償進(jìn)行微調(diào)，以優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。在降壓模式下，相應(yīng)的誤差放大器啟用，(ITH{LOW }) 電壓控制峰值電感電流；另一個誤差放大器禁用，(ITH{HIGH}) 停留在零電流水平。在升壓模式下，(ITH{HIGH}) 啟用，(ITH{LOW }) 停留在零電流水平。在降壓到升壓或升壓到降壓的過渡過程中，內(nèi)部軟啟動重置，ITH 引腳停留在零電流水平，以確保平穩(wěn)過渡到新選擇的模式。

輕載電流操作

在降壓模式下，LTC7872 可以進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）、強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）或突發(fā)模式操作。將 MODE 引腳接地選擇強(qiáng)制連續(xù)操作，連接到 V5 選擇不連續(xù)導(dǎo)通模式，懸空則選擇突發(fā)模式操作。

在強(qiáng)制連續(xù)操作中，輕載或大瞬態(tài)條件下電感電流允許反向。峰值電感電流由 (ITH_{LOW }) 引腳的電壓決定，與正常操作相同。這種模式下，輕載效率低于 DCM 操作，但具有較低的輸出紋波和較少的音頻電路干擾。

在突發(fā)模式操作中，電感中的峰值電流設(shè)置為最大檢測電壓的大約三分之一，即使 (ITH {LOW }) 引腳的電壓指示較低的值。如果平均電感電流高于負(fù)載電流，誤差放大器 EA 將降低 (ITH{LOW }) 引腳的電壓。當(dāng) (ITH_{LOW }) 電壓降至 1.1V 以下時，內(nèi)部睡眠信號變高（啟用睡眠模式），兩個外部 MOSFET 關(guān)閉。

在睡眠模式下，負(fù)載電流由輸出電容器提供。隨著輸出電壓降低，EA 的輸出開始上升。當(dāng)輸出電壓下降足夠多時，睡眠信號變低，控制器在下一個內(nèi)部振蕩器周期開啟頂部外部 MOSFET，恢復(fù)正常操作。在突發(fā)模式操作中，電感電流不允許反向，反向電流比較器（IREV）在電感電流達(dá)到零之前關(guān)閉底部外部 MOSFET，防止其反向和變?yōu)樨?fù)值。

在升壓模式下，LTC7872 可以進(jìn)入恒頻不連續(xù)導(dǎo)通模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。將 MODE 引腳接地選擇強(qiáng)制連續(xù)操作，連接到 V5 或懸空選擇不連續(xù)導(dǎo)通模式。

三、應(yīng)用信息

外部組件選擇

在設(shè)計 LTC7872 應(yīng)用電路時，外部組件的選擇通常由負(fù)載要求驅(qū)動。首先選擇 DCR 或 (R{SENSE }) 和電感值，然后選擇功率 MOSFET，最后選擇 (V{HIGH}) 和 (V_{LOW}) 電容器。

斜率補(bǔ)償和電感峰值電流

斜率補(bǔ)償通過在高占空比時防止次諧波振蕩來提供恒頻架構(gòu)的穩(wěn)定性。它通過在占空比超過 40% 時向電感電流信號添加補(bǔ)償斜坡來實現(xiàn)。通常，這會導(dǎo)致占空比 > 40% 時最大電感峰值電流降低，但 LTC7872 使用一種方案來抵消這種補(bǔ)償斜坡，使最大電感峰值電流在所有占空比下保持不變。

電流限制編程

ILIM 引腳是一個 5 級邏輯輸入，用于設(shè)置控制器的最大電流限制。表 5 顯示了五個 ILIM 設(shè)置，請注意這些設(shè)置代表峰值電感電流設(shè)置。由于電感紋波電流的存在，平均輸出電流低于峰值電流。使用從 V5 到 SGND 的電阻分壓器設(shè)置 ILIM 可以確保在 5V LDO 在啟動時處于降壓狀態(tài)時，最大電流檢測閾值設(shè)置不變。

電感 DCR 檢測

LTC7872 專為需要最高效率的高負(fù)載電流應(yīng)用而設(shè)計，能夠檢測毫歐范圍內(nèi)的電感 DCR 信號。(SNSA ^{+}) 引腳連接到濾波器，其 (R1 ? C1) 時間常數(shù)是電感 (L/DCR) 的五分之一；(SNSD+) 引腳連接到第二個濾波器，其時間常數(shù)與電感的 (L/DCR) 匹配。

為確保在整個工作溫度范圍內(nèi)提供負(fù)載電流，應(yīng)考慮 DCR 電阻的溫度系數(shù)（約 0.4%/°C）。通常，C1 和 C2 選擇在 0.047μF 至 0.47μF 范圍內(nèi)。如果 C1 和 C2 選擇為 0.1μF，選擇一個 10μH、2mΩ DCR 的電感，則 R1 和 R2 將分別為 10k 和 49.9k。(SNSD+) 和 (SNSA ^{+}) 的偏置電流小于 1μA，會給檢測信號帶來小誤差。

使用 (R_{SENSE }) 電阻檢測

LTC7872 可以使用外部 (R{SENSE }) 電阻來精確檢測電流。(SNSD+) 引腳通過 (R3) 和 (C3) 網(wǎng)絡(luò)直接檢測 (R{S}) 電阻兩端的電壓，(R1)、(R2) 和 (C1) 網(wǎng)絡(luò)為 (SNSA ^{+}) 引腳提供電流信號路徑。內(nèi)部將交流和直流路徑的信號組合起來，以實現(xiàn)精確的電流檢測和低抖動性能。

預(yù)偏置輸出啟動

在某些情況下，電源需要在 (V{LOW}) 輸出電容器上有預(yù)偏置的情況下啟動。LTC7872 可以安全地啟動到預(yù)偏置輸出而不放電。它通過禁用頂部和底部 MOSFET 直到 SS 引腳電壓和內(nèi)部軟啟動電壓高于 (VFB {LOW }) 引腳電壓來實現(xiàn)這一點。當(dāng) (VFB {LOW }) 高于 SS 或內(nèi)部軟啟動電壓時，誤差放大器輸出停留在零電流水平。禁用頂部和底部 MOSFET 可防止預(yù)偏置輸出電壓放電。當(dāng) SS 和內(nèi)部軟啟動都超過 1.32V 或 (VFB {LOW })（以較低者為準(zhǔn)）時，頂部和底部 MOSFET 啟用。

過流故障保護(hù)

在降壓模式下，當(dāng)電源輸出負(fù)載超過其預(yù)設(shè)電流限制時，調(diào)節(jié)后的輸出電壓將根據(jù)負(fù)載情況崩潰。(V{LOW }) 軌可能通過非常低的阻抗路徑短路到地，或者可能是電阻性短路，在這種情況下，輸出將部分崩潰，直到負(fù)載電流等于預(yù)設(shè)電流限制?？刂破鲗⒗^續(xù)向短路提供電流，提供的電流量取決于 ILIM 引腳設(shè)置和 (VFB {LOW }) 電壓。

在去除短路后，(V_{LOW }) 使用內(nèi)部軟啟動進(jìn)行軟啟動，從而減少輸出過沖。在沒有此功能的情況下，輸出電容器將在電流限制下充電，在輸出電容最小的應(yīng)用中，這可能導(dǎo)致輸出過沖。在過流恢復(fù)期間，電流限制折返不會禁用。負(fù)載必須降至折返電流限制閾值以下才能從硬短路中重啟。

在降壓和升壓模式下，通過向 SETCUR 引腳施加電壓可以調(diào)節(jié)平均電流。將 SETCUR 引腳強(qiáng)制為 0V 可以獲得零平均電感電流。

LTC7872 有額外的過流故障比較器來監(jiān)測每個通道的電流。如果系統(tǒng)中發(fā)生任何災(zāi)難性故障，導(dǎo)致