LT8336：高效同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。對(duì)于需要高效升壓轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場(chǎng)景，Analog Devices的LT8336同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)值得關(guān)注的選擇。本文將深入剖析LT8336的特性、工作原理、應(yīng)用要點(diǎn)，為電子工程師們提供全面的設(shè)計(jì)參考。

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一、LT8336概述

LT8336是一款低靜態(tài)電流（(I{Q})）的同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，具備Silent Switcher架構(gòu)和可選的擴(kuò)頻頻率調(diào)制功能，能在高頻開關(guān)時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)將電磁干擾（EMI）排放降至最低。其寬輸入/輸出電壓范圍（2.7V至40V）、低(V{IN})引腳靜態(tài)電流以及100%占空比能力，使其非常適合通用升壓和汽車預(yù)升壓應(yīng)用。

1.1 關(guān)鍵特性

• Silent Switcher架構(gòu)：有效降低EMI排放，滿足嚴(yán)苛的電磁兼容性要求。
• 超低EMI：通過優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)和布局，減少對(duì)外界的電磁干擾。
• 可選擴(kuò)頻頻率調(diào)制：進(jìn)一步降低EMI，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。
• 集成40V、2.5A功率開關(guān)：簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減少外部元件數(shù)量。
• 寬輸入/輸出電壓范圍：適應(yīng)多種電源輸入和輸出需求。
• 低(V_{IN})引腳靜態(tài)電流：在不同工作模式下，靜態(tài)電流低至0.3μA（關(guān)機(jī)模式）、4μA（突發(fā)模式）和15μA（直通模式），降低功耗。
• 100%占空比能力：在特定條件下實(shí)現(xiàn)同步MOSFET的全導(dǎo)通，提高轉(zhuǎn)換效率。
• 可調(diào)節(jié)和同步：開關(guān)頻率可在300kHz至3MHz范圍內(nèi)編程，并可同步到外部時(shí)鐘。
• 輕載時(shí)的脈沖跳過或突發(fā)模式操作：根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整工作模式，提高輕載效率。
• 輸出軟啟動(dòng)和電源良好監(jiān)測(cè)：保護(hù)電路和負(fù)載，確保系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)。
• 內(nèi)部補(bǔ)償：簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減少外部補(bǔ)償元件。
• 精確的1V使能引腳閾值：準(zhǔn)確控制芯片的開啟和關(guān)閉。
• 小型16引腳（3mm × 3mm）LQFN封裝：節(jié)省電路板空間。
• AEC - Q100認(rèn)證：適用于汽車應(yīng)用，保證產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

二、工作原理

2.1 固定頻率電流模式控制

LT8336采用固定頻率、電流模式控制方案，以實(shí)現(xiàn)出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)。在每個(gè)振蕩器周期開始時(shí)，開關(guān)邏輯和電荷泵模塊通過驅(qū)動(dòng)器G1導(dǎo)通功率開關(guān)M1。在M1導(dǎo)通期間，電感電流(I{L})流經(jīng)M1，與穩(wěn)定的斜率補(bǔ)償斜坡相加后輸入到PWM比較器A1的正端。A1負(fù)端的電壓“VC”由誤差放大器EA設(shè)置，是反饋電壓FB與參考電壓差值的放大版本。當(dāng)A1正端信號(hào)超過VC時(shí)，A1發(fā)出信號(hào)關(guān)閉M1，同步功率開關(guān)M2導(dǎo)通，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期開始或電感電流(I{L})降至零。通過這種重復(fù)操作，EA設(shè)置正確的(I_{L})峰值電流水平，以保持輸出電壓穩(wěn)定。

2.2 直通模式（PassThru）

當(dāng)(V{IN})高于(V{OUT})，且(V{OUT})高于由FB電阻網(wǎng)絡(luò)編程的調(diào)節(jié)電壓時(shí)，LT8336進(jìn)入直通模式。此時(shí)，同步功率開關(guān)M2持續(xù)導(dǎo)通，功率開關(guān)M1持續(xù)關(guān)閉，(V{OUT})通過電感和M2本質(zhì)上與(V{IN})短路，(V{IN})引腳靜態(tài)電流限制在15μA（典型值）。

2.3 模式選擇

通過SYNC/MODE引腳，LT8336提供五種可選操作模式，以優(yōu)化性能：

• 接地或<0.1V：突發(fā)模式（Burst），輕載時(shí)低靜態(tài)電流、低輸出紋波。
• 通過50k電阻接地：突發(fā)模式+擴(kuò)頻頻率調(diào)制（Burst/SSFM）。
• 浮空（引腳開路）：脈沖跳過模式（Pulse - Skipping）。
• 連接到(INTV{CC})或> ((INTV{CC}) – 0.2V)：脈沖跳過模式+擴(kuò)頻頻率調(diào)制（Pulse - Skipping/SSFM）。
• 外部時(shí)鐘：脈沖跳過模式+同步（Pulse - Skipping/Sync）。

三、應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 編程(V_{IN})開啟和關(guān)閉閾值

通過EN/UVLO引腳，可以使用電阻分壓器編程(V{IN})的開啟和關(guān)閉閾值。在輕載突發(fā)模式下，為了減少電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)效率的影響，可以使用大阻值電阻。當(dāng)不需要關(guān)機(jī)功能時(shí)，可將EN/UVLO引腳連接到(V{IN})；若需要關(guān)機(jī)控制，可將其連接到邏輯電平。

3.2 (INTV_{CC})調(diào)節(jié)器

內(nèi)部低壓差（LDO）調(diào)節(jié)器從(V{IN})產(chǎn)生3.5V電源，為驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)部偏置電路供電。(INTV{CC})引腳必須通過至少1μF的陶瓷電容接地，以提供功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器所需的高瞬態(tài)電流。在高(V{IN})電壓和高開關(guān)頻率的應(yīng)用中，由于LDO上的功率損耗增加，芯片溫度會(huì)升高。當(dāng)(V{IN})低于2.9V時(shí)，最大可編程開關(guān)頻率會(huì)降低。

3.3 輕載電流操作

• 突發(fā)模式（Burst Mode）：在輕載時(shí)，LT8336可進(jìn)入低紋波突發(fā)模式，通過降低開關(guān)頻率來維持輸出調(diào)節(jié)電壓，減少輸入靜態(tài)電流和輸出電壓紋波。使用較大值的電感可以提高輕載效率，但會(huì)增加輸出電壓紋波，可通過增加輸出電容來降低紋波。
• 脈沖跳過模式（Pulse - Skipping）：與突發(fā)模式不同，脈沖跳過模式下內(nèi)部時(shí)鐘始終保持工作，所有開關(guān)周期與時(shí)鐘對(duì)齊。該模式下靜態(tài)電流較高，但輸出紋波和音頻噪聲、射頻干擾較低。

3.4 開關(guān)頻率和同步

開關(guān)頻率的選擇需要在效率和元件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。LT8336的開關(guān)頻率可通過RT引腳連接到地的單個(gè)外部電阻在300kHz至3MHz范圍內(nèi)編程。同時(shí)，其工作頻率可以同步到最小脈沖寬度為100ns的外部時(shí)鐘源，此時(shí)應(yīng)選擇RT電阻使編程的開關(guān)頻率盡可能接近同步脈沖頻率。

3.5 擴(kuò)頻頻率調(diào)制

LT8336的擴(kuò)頻頻率調(diào)制功能可進(jìn)一步降低EMI排放。用戶可以通過將SYNC/MODE引腳通過50k電阻接地選擇突發(fā)模式下的擴(kuò)頻頻率調(diào)制，或連接到(INTV_{CC})選擇脈沖跳過模式下的擴(kuò)頻頻率調(diào)制。在輕載時(shí)，脈沖跳過模式下的擴(kuò)頻頻率調(diào)制更有效。

3.6 (V{IN})到(V{OUT})直通模式操作

在汽車啟停和冷啟動(dòng)的升壓預(yù)調(diào)節(jié)器應(yīng)用中，當(dāng)(V{IN})高于調(diào)節(jié)后的(V{OUT})電壓時(shí)，LT8336進(jìn)入直通模式。在該模式下，(V{OUT})通過電感和M2與(V{IN})短路，(V{IN})引腳靜態(tài)電流低至15μA（典型值）。當(dāng)(V{OUT})低于調(diào)節(jié)電壓、(V{IN})低于(V{OUT})一定值或M2的反向電流超過750mA（典型值）時(shí)，LT8336會(huì)退出直通模式。

3.7 FB電阻網(wǎng)絡(luò)和空載靜態(tài)電流

輸出電壓通過輸出和FB引腳之間的電阻分壓器編程。為了實(shí)現(xiàn)低輸入靜態(tài)電流和良好的輕載效率，應(yīng)使用大阻值電阻。在不同的輸入輸出電壓條件下，可以使用相應(yīng)的公式估算空載時(shí)的靜態(tài)電流。同時(shí)，使用大阻值FB電阻時(shí)，應(yīng)連接4.7pF至22pF的相位超前電容，并仔細(xì)評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.8 過壓鎖定

LT8336持續(xù)監(jiān)測(cè)(V_{OUT})引腳電壓，當(dāng)電壓超過約40V時(shí)，開關(guān)停止工作；當(dāng)電壓降至40V或更低時(shí)，恢復(fù)正常開關(guān)。

3.9 開關(guān)頻率折返

當(dāng)(V{IN})接近(V{OUT})時(shí)，為了避免因最小導(dǎo)通時(shí)間限制而導(dǎo)致的輸出紋波增大，LT8336采用開關(guān)頻率折返功能，平穩(wěn)降低開關(guān)頻率。

3.10 啟動(dòng)

為了限制啟動(dòng)期間的峰值開關(guān)電流和(V{OUT})過沖，LT8336包含內(nèi)部軟啟動(dòng)電路。啟動(dòng)時(shí)間取決于(V{IN})電壓和開關(guān)頻率，可通過相應(yīng)公式計(jì)算。在啟動(dòng)期間，LT8336選擇無擴(kuò)頻頻率調(diào)制的脈沖跳過模式，忽略SYNC/MODE引腳配置。

3.11 元件選擇

• 電感選擇：在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，根據(jù)輸出電壓和輸入電壓計(jì)算最大占空比，選擇合適的電感值。電感紋波電流(Delta I{SW})會(huì)影響電感值、轉(zhuǎn)換器的最大輸出電流能力和輕載效率。一般來說，(Delta I{SW})取值在0.3A至0.6A之間可作為許多應(yīng)用的起始值。同時(shí)，應(yīng)選擇具有足夠飽和和RMS電流額定值的電感。
• 輸入電容選擇：升壓轉(zhuǎn)換器的輸入紋波電流相對(duì)較低，輸入電容的電壓額定值應(yīng)超過最大輸入電壓。輸入電容的值取決于源阻抗，源阻抗越高，所需的輸入電容越大。
• 輸出電容選擇：輸出電容的主要功能是濾波和存儲(chǔ)能量，應(yīng)選擇低等效串聯(lián)電阻（ESR）的X5R或X7R型陶瓷電容，以降低輸出紋波和提高瞬態(tài)響應(yīng)。除了大容量輸出電容外，還應(yīng)在IC附近放置兩個(gè)1μF的小輸出陶瓷電容，以完成Silent Switcher取消環(huán)路。

3.12 電路板布局

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，LT8336需要使用多個(gè)(V{OUT})旁路電容。應(yīng)在引腳6的(V{OUT})和引腳5的GND之間、引腳7的(V{OUT})和引腳8的GND之間分別連接一個(gè)1μF的電容，以完成Silent Switcher EMI取消環(huán)路。這些電容應(yīng)盡可能靠近IC放置，形成的環(huán)路應(yīng)對(duì)稱且盡可能小。同時(shí)，(V{IN})和(INTV_{CC})引腳的旁路電容也應(yīng)連接到接地平面。輸出電容、電感和輸入電容應(yīng)放置在電路板的同一側(cè)，SW和BST節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能小。FB和RT節(jié)點(diǎn)也應(yīng)保持小尺寸，以減少噪聲干擾。

3.13 熱考慮

在PCB布局中，應(yīng)注意LT8336的散熱問題。功率接地平面應(yīng)采用大面積銅層和熱過孔，以擴(kuò)散芯片產(chǎn)生的熱量。隨著結(jié)溫接近最大溫度額定值，應(yīng)降低最大負(fù)載電流?？梢酝ㄟ^效率測(cè)量計(jì)算總功率損耗，并減去電感損耗來估算芯片的功率損耗，進(jìn)而計(jì)算結(jié)溫。LT8336包含內(nèi)部過溫保護(hù)，當(dāng)結(jié)溫超過170°C（典型值）時(shí)，芯片會(huì)關(guān)閉；當(dāng)結(jié)溫降至165°C（典型值）以下時(shí)，內(nèi)部軟啟動(dòng)觸發(fā)。

四、典型應(yīng)用

4.1 低靜態(tài)電流、低EMI、24V輸出升壓轉(zhuǎn)換器

該應(yīng)用采用擴(kuò)頻頻率調(diào)制（SSFM），在輸入電壓為8V至16V時(shí)，可輸出24V電壓，適用于對(duì)EMI要求較高的場(chǎng)合。

4.2 8V至16V輸入、36V輸出升壓轉(zhuǎn)換器

能夠在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)提供36V輸出，適用于需要高輸出電壓的應(yīng)用。

4.3 2.7V至28V輸入、28V輸出升壓轉(zhuǎn)換器

可適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍，輸出28V電壓，滿足不同電源輸入的需求。

4.4 汽車預(yù)升壓轉(zhuǎn)換器

適用于汽車啟停和冷啟動(dòng)應(yīng)用，具有20V或10V的調(diào)節(jié)輸出和高效的直通模式，在不同輸入電壓下能保持較高的效率。

五、相關(guān)部件

除了LT8336，Analog Devices還提供了一系列相關(guān)的電源管理芯片，如LT8330、LT8331、LT8337等，這些芯片在不同的電壓、電流和應(yīng)用場(chǎng)景下具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，工程師可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

總之，LT8336是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，在汽車、工業(yè)和通用電源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過深入了解其特性、工作原理和應(yīng)用要點(diǎn)，電子工程師們可以更好地設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源管理系統(tǒng)。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。