LTC7841：高性能雙相同步升壓控制器解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的一環(huán)。對于需要高功率升壓的應(yīng)用，一款高效、穩(wěn)定且功能豐富的升壓控制器無疑是工程師們的理想之選。今天，我們就來深入探討一下凌力爾特（現(xiàn)屬ADI）的LTC7841雙相同步升壓控制器。

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一、產(chǎn)品概述

LTC7841是一款高性能的雙相單輸出同步升壓轉(zhuǎn)換器控制器，能夠驅(qū)動兩個N溝道功率MOSFET階段異相工作。多相操作減少了輸入和輸出電容器的需求，并允許使用比單相等效電路更小的電感器。同步整流提高了效率，降低了功耗，減輕了散熱要求，從而實現(xiàn)了高功率升壓應(yīng)用。其輸出電壓可通過符合PMBus標(biāo)準(zhǔn)的串行接口以0.2%的分辨率調(diào)節(jié)至高達60V，同時該接口還可用于讀取故障狀態(tài)、輸入/輸出電流、輸入/輸出電壓和溫度等信息。

二、主要特性

（一）寬輸入電壓范圍

輸入電壓 (V{IN}) 范圍為4.5V至60V，能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。在 (V{IN}=12V) 時，全溫度范圍內(nèi)總輸出電壓精度可達1%，為電源設(shè)計提供了高精度的保障。

（二）PMBus接口

具備PMBus兼容的串行接口，可實現(xiàn)對輸出電壓 (V_{OUT}) 的編程，最高可達60V，分辨率為0.2%。同時，還能以25Hz的刷新速率回讀平均和峰值溫度、電流以及電壓，方便工程師實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。此外，該接口還可用于讀取故障狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。

（三）靈活的頻率控制

相鎖頻率范圍為75kHz至850kHz，可根據(jù)實際應(yīng)用需求進行靈活調(diào)整。同時，芯片的上電時間小于1ms，能夠快速啟動，響應(yīng)系統(tǒng)需求。

（四）其他特性

• Power Good輸出電壓監(jiān)測：通過PGOOD引腳，可以方便地監(jiān)測輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
• 內(nèi)部LDO供電：內(nèi)部LDO可從VBIAS或 (EXTV CC) 為柵極驅(qū)動器供電，提供了靈活的供電方式。
• 低關(guān)斷電流：關(guān)斷電流 (I_{Q}<10μA)，在系統(tǒng)處于待機狀態(tài)時，能夠有效降低功耗。
• 熱增強型封裝：采用熱增強型5mm x 6mm QFN封裝，有助于提高芯片的散熱性能，確保在高功率應(yīng)用中的可靠性。

三、電氣特性詳解

（一）輸入輸出電壓相關(guān)特性

• 輸入電源電壓：(V_{BIAS}) 輸入電源工作電壓范圍在上升時為4.5V至60V，為芯片提供了廣泛的電源適配性。
• 反饋電壓：(V_{FB}) 調(diào)節(jié)的反饋電壓在不同的 (VOUT_COMMAND) 設(shè)定值下，有不同的典型值，如在 (VOUT_COMMAND = 50%) 時，LTC7841J的典型值為1.2V，偏差在±0.012V以內(nèi)。
• 輸出電壓：輸出電壓可通過PMBus接口進行精確調(diào)節(jié)，且具備較高的精度和穩(wěn)定性。輸出電壓讀回分辨率為13位，LSB步長為10mV，讀回電壓范圍在連接二極管和不連接二極管時有所不同，分別可達60V和55V。

（二）電流相關(guān)特性

• 輸入輸出電流讀回：輸入和輸出電流讀回功能都具備13位分辨率，LSB步長為50μV，全量程感測電壓為±1.638V。在 (V{SENSE +} – V{SENSE -}>25mV) 時，輸出電流總未調(diào)整誤差 (I_{OUT_TUE}) 為±2%，輸入電流在不同條件下也有相應(yīng)的誤差指標(biāo)。
• 其他電流參數(shù)：如反饋電流、(V_{OUTSNS}) 引腳泄漏電流、(SENSE +) 引腳電流等都有詳細的電氣指標(biāo)，這些參數(shù)對于準(zhǔn)確設(shè)計電路和評估系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

（三）振蕩器和鎖相環(huán)特性

• 可編程頻率：通過 (FREQ) 引腳連接不同的電阻或電壓，可以實現(xiàn)不同的開關(guān)頻率編程。例如，連接25k電阻時，典型頻率為335kHz；連接60k電阻時，典型頻率為400kHz；連接100k電阻時，典型頻率為760kHz。
• 固定頻率范圍：最低固定頻率 (f{LOW}) 為320kHz（(V{FREQ}=0V)），最高固定頻率為585kHz（(V{FREQ}=INTV{CC})）。同時，芯片可同步到外部時鐘，同步頻率范圍為75kHz至850kHz。

（四）其他電氣特性

還包括柵極驅(qū)動器的相關(guān)參數(shù)（如上升時間、下降時間、上下拉電阻等）、(INTV_{CC}) 線性穩(wěn)壓器的特性（如電壓、負載調(diào)整率等）、PGOOD輸出的特性（如電壓低、泄漏電流、跳閘電平、延遲等）以及PMBus接口的相關(guān)參數(shù)（如輸入輸出電壓、泄漏電流、總線頻率、總線時間等）。

四、工作原理

（一）主控制環(huán)路

LTC7841采用恒頻、電流模式升壓架構(gòu)，兩個控制器通道異相工作。在正常工作時，每個外部底部MOSFET在該通道的時鐘設(shè)置RS鎖存器時導(dǎo)通，當(dāng)主電流比較器ICMP復(fù)位RS鎖存器時關(guān)斷。ICMP觸發(fā)并復(fù)位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。誤差放大器將VFB引腳（通過外部電阻分壓器連接到輸出電壓 (V_{OUT}) 產(chǎn)生）的輸出電壓反饋信號與內(nèi)部參考電壓進行比較。當(dāng)負載電流增加時，VFB相對于參考電壓略有下降，導(dǎo)致EA增加ITH電壓，直到每個通道的平均電感電流與新的負載電流要求相匹配。

（二）電源供應(yīng)

頂部和底部MOSFET驅(qū)動器以及大多數(shù)其他內(nèi)部電路的電源來自 (INTV{CC}) 引腳。當(dāng) (EXTV{CC}) 引腳連接的電壓小于4.8V時，VBIAS LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）從VBIAS向 (INTV{CC}) 提供5.4V電源；當(dāng) (EXTV{CC}) 高于4.8V時，VBIAS LDO關(guān)閉，(EXTV{CC}) LDO開啟，從 (EXTV{CC}) 向 (INTV_{CC}) 提供5.4V電源。

（三）關(guān)斷和待機模式

• 關(guān)斷模式：通過RUN引腳可以關(guān)閉LTC7841的兩個內(nèi)部控制器。將該引腳拉低至1.28V以下，將關(guān)閉兩個相位的主控制環(huán)路和串行接口；拉低至0.7V以下，將禁用兩個通道和大多數(shù)內(nèi)部電路，包括 (INTV_{CC}) LDO，此時芯片的靜態(tài)電流僅為8μA。
• 待機模式：通過清除OPERATION命令中的ON位可以進入待機模式。待機模式下，兩個相位的主控制環(huán)路關(guān)閉，但ADC和PMBus仍保持活動狀態(tài)，不過遙測數(shù)據(jù)的刷新率降至1Hz。退出待機模式時，所有故障將被復(fù)位，ALERT引腳恢復(fù)正常。

（四）啟動過程

啟動時，控制器的輸出電壓 (V{out}) 由SS引腳的電壓控制。當(dāng)SS引腳電壓小于內(nèi)部參考電壓時，LTC7841將VFB引腳電壓調(diào)節(jié)到SS引腳電壓，而不是參考電壓。通過在SS引腳連接一個外部電容器到SGND，可以實現(xiàn)軟啟動功能。內(nèi)部10μA上拉電流對該電容器充電，在SS引腳產(chǎn)生一個電壓斜坡，隨著SS電壓從0V線性上升到參考電壓（甚至超過參考電壓達到 (INTV{CC})），輸出電壓平穩(wěn)地上升到最終值。

（五）輕載運行模式

LTC7841在低負載電流時可以進入高效突發(fā)模式（Burst Mode）、恒頻脈沖跳過模式或強制連續(xù)導(dǎo)通模式。

• 突發(fā)模式：將PLLIN/MODE引腳接地可選擇突發(fā)模式。在該模式下，電感中的最小峰值電流設(shè)定為最大感測電壓的約30%。當(dāng)平均電感電流高于所需電流時，誤差放大器EA將降低ITH引腳的電壓。當(dāng)ITH電壓降至0.425V以下時，內(nèi)部睡眠信號變?yōu)楦唠娖?，兩個外部MOSFET關(guān)閉，此時芯片的靜態(tài)電流僅為800μA，負載電流由輸出電容器提供。當(dāng)輸出電壓下降到一定程度時，睡眠信號變?yōu)榈碗娖?，控制器恢?fù)正常操作。
• 強制連續(xù)模式：將PLLIN/MODE引腳連接到 (INTV_{CC}) 可選擇強制連續(xù)模式。在該模式下，電感電流在輕載或大瞬態(tài)條件下允許反向，峰值電感電流由ITH引腳的電壓決定。雖然該模式在輕載時效率低于突發(fā)模式，但具有輸出電壓紋波小、對音頻電路干擾小的優(yōu)點。
• 脈沖跳過模式：將PLLIN/MODE引腳連接到大于1.2V且小于 (INTV_{CC}-1.3V) 的直流電壓可選擇脈沖跳過模式。在該模式下，在輕載時LTC7841以PWM脈沖跳過模式工作，可保持恒頻操作直到設(shè)計最大輸出電流的約1%。在非常輕的負載下，電流比較器ICMP可能會在幾個周期內(nèi)保持觸發(fā)狀態(tài)，迫使外部底部MOSFET在相同數(shù)量的周期內(nèi)保持關(guān)閉狀態(tài)。該模式與強制連續(xù)模式類似，具有低輸出紋波、低音頻噪聲和減少RF干擾的優(yōu)點，且在低電流時的效率高于強制連續(xù)模式，但遠低于突發(fā)模式。

（六）頻率選擇和鎖相環(huán)

開關(guān)頻率的選擇是效率和元件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作可以通過減少MOSFET的開關(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。LTC7841的開關(guān)頻率可以通過FREQ引腳進行選擇。如果PLLIN/MODE引腳未由外部時鐘源驅(qū)動，F(xiàn)REQ引腳可以接地、連接到 (INTV{CC}) 或通過外部電阻進行編程。將FREQ引腳接地選擇350kHz，連接到 (INTV{CC}) 選擇535kHz，在FREQ和SGND之間放置一個電阻可以將頻率編程在50kHz至900kHz之間。

LTC7841還具備一個鎖相環(huán)（PLL），可將內(nèi)部振蕩器同步到連接到PLLIN/MODE引腳的外部時鐘源。典型的捕獲范圍約為55kHz至1MHz，確保能鎖定75kHz至850kHz范圍內(nèi)的外部時鐘源。通過FREQ引腳設(shè)置自由運行頻率接近所需的同步頻率，可以實現(xiàn)快速鎖相。

（七）其他工作特性

• (V{IN } >) 調(diào)節(jié) (V{OUT }) 時的操作：當(dāng) (V{IN}) 上升到調(diào)節(jié)的 (V{out}) 電壓以上時，升壓控制器的行為會根據(jù)模式、電感電流和 (V{IN}) 電壓而有所不同。在強制連續(xù)模式下，一旦 (V{IN}) 上升到 (V_{OUT}) 以上，控制環(huán)路會使頂部MOSFET持續(xù)導(dǎo)通；在脈沖跳過模式和突發(fā)模式下，也有各自不同的響應(yīng)機制。
• 過壓保護：當(dāng)輸出反饋電壓 (V_{FB}) 大于其正常調(diào)節(jié)點（由DAC設(shè)置）的110%時，發(fā)生過壓事件。在過壓事件期間，無論選擇哪種工作模式，TG1/TG2將持續(xù)導(dǎo)通，直到過壓條件消除。
• BOOST電源刷新和內(nèi)部電荷泵：每個頂部MOSFET驅(qū)動器由浮動自舉電容器CB偏置，通常在底部MOSFET導(dǎo)通時通過外部二極管在每個周期內(nèi)對其進行充電。在啟動時，如果底部MOSFET在UVLO變低后200μs內(nèi)未導(dǎo)通，將強制其導(dǎo)通約400ns，以確保頂部MOSFET能夠充分增強。內(nèi)部電荷泵可在強制連續(xù)模式和脈沖跳過模式下持續(xù)工作，在突發(fā)模式下，睡眠期間關(guān)閉，喚醒時啟用，正常情況下可提供55μA的充電電流。
• 內(nèi)部參考DAC：LTC7841具有一個內(nèi)部9位DAC，可將內(nèi)部參考電壓設(shè)置為0至2.4V范圍內(nèi)的任何值，分辨率為0.2%/bit。通過PMBus接口使用MFR_VOUT_COMMAND命令可以更改該數(shù)字值。當(dāng)檢測到參考電壓發(fā)生變化時，參考電壓將以連接到 (CSLEW) 引腳的電容值所設(shè)定的速率從當(dāng)前值斜坡上升到新值，同時也可以通過PMBus接口使用MFR_CONFIG命令更改斜率速率。
• 遙測回讀：LTC7841集成了一個13位ADC，可監(jiān)測并轉(zhuǎn)換輸入和輸出電壓、輸入和輸出電流以及管芯溫度或遠程感測溫度。這些值以25Hz的速率刷新，并可通過PMBus接口讀取。每個遙測測量都有一個峰值監(jiān)測器，可提供自監(jiān)測開始以來的最高測量值，可通過MFR_CLEAR_PEAKS命令、寫入單個峰值寄存器或循環(huán)RUN引腳來重置該監(jiān)測器。
• 溫度監(jiān)測和熱警告/關(guān)機：LTC7841具有兩個內(nèi)部管芯溫度監(jiān)測器，一個由ADC數(shù)字化并通過READ_TEMPERATURE_1命令報告，另一個用于在管芯溫度超過170°C時關(guān)閉芯片。還可以通過將外部溫度傳感元件連接到TSNS引腳來實現(xiàn)外部溫度傳感。通過MFR_CONFIG寄存器可以選擇報告內(nèi)部管芯溫度還是外部溫度傳感電壓。當(dāng)內(nèi)部管芯溫度超過150°C時，STATUS_WORD中的過溫警告位將被設(shè)置，ALERT引腳將拉低以提醒PMBus主機。

五、應(yīng)用信息

（一）電流感測方案

LTC7841可以配置為使用電感器DCR（直流電阻）感測或分立感測電阻（RSENSE）進行電流感測。

• 感測電阻電流感測：使用離散電阻的典型感測電路中，RSENSE的值根據(jù)所需的輸出電流來選擇。電流比較器具有最大閾值 (V{SENSE(MAX) })，當(dāng)ILIM引腳接地、浮空或連接到 (INTV{CC}) 時，最大閾值分別設(shè)置為50mV、75mV或100mV。根據(jù)這些參數(shù)可以計算出感測電阻的值。在低 (V_{IN }) 和非常高電壓輸出應(yīng)用中，由于升壓調(diào)節(jié)器在占空比大于50%時需要內(nèi)部補償以滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，最大電感電流和相應(yīng)的最大輸出電流水平將降低。
• 電感器DCR感測：對于在高負載電流下需要最高效率的應(yīng)用，LTC7841能夠感測電感器DCR上的電壓降。選擇合適的外部R1||R2 ? C1時間常數(shù)，使其等于L/DCR時間常數(shù)，可以使外部電容器上的電壓降等于電感器DCR上的電壓降乘以R2/(R1 + R2)。需要注意的是，電感器的DCR值會隨溫度變化，因此在選擇元件時需要考慮溫度系數(shù)的影響。雖然DCR感測在重負載時具有較高的效率，但在輕負載時可能會有稍高的功率損耗。

（二）元件選擇

• 電感器值計算：操作頻率和電感器選擇相互關(guān)聯(lián)，較高的操作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會降低效率，因為會增加MOSFET的柵極電荷和開關(guān)損耗。電感值直接影響紋波電流，合理設(shè)置紋波電流可以在滿足輸出電壓紋波要求的前提下，選擇合適的電感值。一般來說，可將紋波電流設(shè)置為 (Delta I{L}=0.3(I{MAX}))，最大 (Delta I{L}) 發(fā)生在 (V{IN }=1 / 2 ~V_{OUT }) 時。選擇電感時，還應(yīng)考慮其對低電流操作和過渡到突發(fā)模式的影響。
• 功率MOSFET選擇：每個控制器需要選擇兩個外部功率MOSFET，一個用于底部（主）開關(guān)，一個用于頂部（同步）開關(guān)。由于 (INTV{CC}) 電壓通常為5.4V，因此在大多數(shù)應(yīng)用中必須使用邏輯電平閾值MOSFET，同時要關(guān)注 (BV{DSS}) 規(guī)格。選擇功率MOSFET時，需要考慮導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)})、米勒電容 (C{MILLER})、輸入電壓和最大輸出電流等因素。在連續(xù)模式下，根據(jù)輸出電壓和輸入電壓可以計算出頂部和底部MOSFET的占空比，進而計算出它們的功率損耗。在不同的輸入電壓下，選擇合適的MOSFET參數(shù)可以提高效率。
• 輸入和輸出電容選擇：在升壓轉(zhuǎn)換器中，輸入紋波電流相對較低，輸入電容 (C{IN}) 的電壓額定值應(yīng)超過最大輸入電壓，其值取決于源阻抗和占空比。輸出電流是不連續(xù)的，因此 (C{OUT }) 必須能夠降低輸出電壓紋波，選擇輸出電容時需要考慮ESR（等效串聯(lián)電阻）和電容值對輸出電壓紋波的影響。LTC7841采用2相單輸出配置，兩個通道異相操作，可大大降低輸出電容的紋波電流，從而可以適當(dāng)放寬對電容ESR的要求?？梢愿鶕?jù)輸出電壓和輸入電壓范圍確定占空比范圍，然后參考歸一化輸出電容紋波電流曲線選擇合適的電容紋波電流額定值。

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