LT8603：高度靈活的四輸出調(diào)節(jié)器解決方案

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理芯片的性能和功能對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率起著至關(guān)重要的作用。LT8603作為一款高度靈活的四輸出調(diào)節(jié)器，為工程師們提供了強大的電源解決方案。本文將深入探討LT8603的特性、工作原理、應(yīng)用信息以及典型應(yīng)用，幫助工程師更好地了解和應(yīng)用這款芯片。

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一、產(chǎn)品概述

LT8603是一款高度靈活的四輸出調(diào)節(jié)器，它結(jié)合了兩個高輸入電壓能力的單片降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器、一個低輸入電壓能力的單片降壓調(diào)節(jié)器和一個升壓控制器，能夠在占用最小電路板空間的同時滿足廣泛的應(yīng)用需求。該芯片具有以下顯著特點：

1. 靈活的電源系統(tǒng)：能夠提供四個穩(wěn)壓輸出，即使在 (V{BAT} ll V{OUT}) 的情況下也能正常工作。
2. 多通道輸出：包括兩個高壓同步降壓調(diào)節(jié)器（輸入電壓范圍3V - 42V，輸出電流分別可達2.5A和1.5A）、一個低壓同步降壓調(diào)節(jié)器（輸入電壓范圍2.6V - 5.5V，輸出電流可達1.8A）以及一個升壓控制器。
3. 低靜態(tài)電流：可選的Burst Mode?操作允許在高壓通道激活時實現(xiàn)低至28μA的靜態(tài)電流。
4. 可編程功能：具有可編程的上電復(fù)位功能和獨立通道的電源良好指示。
5. 寬開關(guān)頻率范圍：降壓開關(guān)頻率范圍為250kHz至2.2MHz。
6. 封裝與認證：采用40引腳QFN（6mm × 6mm）封裝，并且通過了AEC - Q100汽車應(yīng)用認證。

二、電氣特性

（一）偏置和內(nèi)部調(diào)節(jié)器

• 通道1、2和3的最小工作 (V{IN}) 為2.7V - 3.0V，啟動時最小 (V{IN}) 為3.1V - 3.3V；通道4的最小工作 (V{IN}) 為3.0V - 3.2V，啟動時最小 (V{IN}) 為4.0V - 4.15V。
• 關(guān)機時 (V{IN}) 靜態(tài)電流在 (V{BIAS} = 0V)，(EN/UVLO = 0.4V) 條件下為0.1 - 1μA。
• 總工作電流在不同通道激活和空載情況下有所不同，例如 (V_{BATT} = 12V) 時，通道1和2激活且空載為28μA，所有通道激活且空載為50μA。

（二）振蕩器

• 開關(guān)頻率可通過RT引腳連接的電阻進行編程，不同等級（E、I、J）和不同RT值對應(yīng)不同的開關(guān)頻率。例如，RT = 28.7kΩ時，E、I - 等級的開關(guān)頻率為1.75 - 1.8MHz，J - 等級為2.2MHz。
• SYNC輸入頻率范圍為0.25 - 2.2MHz，輸入電壓低為0.3V，高為1.2V。

（三）各通道特性

每個通道都有其獨特的反饋電壓、輸入電流、線路調(diào)節(jié)、峰值電流限制等特性。例如，通道1的反饋電壓在E - 、I - 等級為0.985 - 1.015V，J - 等級為0.98 - 1.015V；SW1峰值電流限制為2.0 - 3.7A。

三、工作原理

（一）啟動過程

當 (EN/UVLO) 電壓高于閾值時，LT8603的 (INTV{CC}) 調(diào)節(jié)器對其輸出電容充電，為內(nèi)部芯片電路供電。如果 (BIAS) 高于3.1V，(BIAS) 為 (INTV{CC}) 調(diào)節(jié)器提供電流，以降低 (V{IN}) 靜態(tài)電流。升壓控制器通過 (FSEL4A) 和 (FSEL4B) 引腳的邏輯高電平啟用，(INTV{CC4}) 調(diào)節(jié)器對其輸出電容充電，當 (INTV_{CC4}) 電壓超過4.0V時，升壓控制器的柵極驅(qū)動器開始向外部MOSFET提供柵極驅(qū)動脈沖。

（二）各通道工作模式

1. 高壓降壓調(diào)節(jié)器（通道1和2）：每個高壓通道是一個同步降壓調(diào)節(jié)器，從獨立的 (PVIN) 引腳獲取電源。內(nèi)部頂部功率MOSFET在每個振蕩器周期開始時導(dǎo)通，當流經(jīng)頂部MOSFET的電流達到由誤差放大器確定的水平時關(guān)閉。誤差放大器通過與FB引腳相連的外部電阻分壓器測量輸出電壓，以控制頂部開關(guān)的峰值電流。
2. 低壓降壓調(diào)節(jié)器（通道3）：低壓通道也是一個同步降壓調(diào)節(jié)器，(PVIN) 引腳具有2.35V的欠壓鎖定功能。頂部功率MOSFET在每個振蕩器周期開始時導(dǎo)通，當流經(jīng)頂部MOSFET的電流達到由誤差放大器確定的水平時關(guān)閉。該通道具有RUN3引腳用于電源排序，以及內(nèi)部軟啟動電路，可在1ms內(nèi)將輸出電壓升高。
3. 升壓控制器（通道4）：升壓控制器包括誤差放大器、環(huán)路補償、電流比較器、開關(guān)控制邏輯和柵極驅(qū)動器。通過 (FSEL4A) 和 (FSEL4B) 引腳控制其啟用和時鐘頻率選擇。外部N溝道MOSFET由內(nèi)部時鐘導(dǎo)通，當電流比較器感測到的電感電流超過閾值時關(guān)閉。

（三）多相開關(guān)

振蕩器產(chǎn)生兩個相位相差180°的時鐘信號，通道1和3由CLK1驅(qū)動，通道2和4由CLK2驅(qū)動。通道4的時鐘可以選擇CLK2的÷1、÷2或÷5版本。多相操作可以降低峰值輸入電流，提高輸入電流頻率，從而減少輸入電流紋波和所需的輸入電容。

（四）欠壓鎖定

(EN/UVLO) 引腳用于將LT8603置于關(guān)機狀態(tài)，將輸入電流降低到小于1μA。該引腳具有精確的1.2V閾值，通過與外部電阻分壓器相連，可實現(xiàn)可編程的 (V_{IN}) 欠壓鎖定功能。50mV的滯后電壓可防止開關(guān)噪聲意外關(guān)閉LT8603。

（五）電源良好比較器

通道1、2和3的電源良好比較器在反饋引腳電壓偏離其參考電壓超過8%時觸發(fā)，通道4的電源良好比較器在輸出電壓低于其參考電壓超過8%時指示。PG輸出引腳為開漏輸出，當相應(yīng)輸出超出調(diào)節(jié)范圍時拉低。

（六）上電復(fù)位定時器

LT8603包含一個上電復(fù)位定時器，其超時時間可通過CPOR引腳連接的外部電容進行調(diào)整。當 (POREN) 引腳高于1.2V時，定時器啟動。RST引腳為開漏輸出，具有約2V的弱上拉，在定時器超時前保持低電平。

四、應(yīng)用信息

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

LT8603將三個降壓轉(zhuǎn)換器和一個升壓控制器相結(jié)合，可配置為提供多達四個穩(wěn)壓輸出。四個通道獨立供電，連接方式多樣。例如，升壓輸出可用于為降壓轉(zhuǎn)換器提供輸入電壓，即使在升壓輸入電壓低于穩(wěn)壓降壓輸出時（如汽車冷啟動情況），也能實現(xiàn)三個緊密穩(wěn)壓的輸出。

（二）(V_{IN}) 電壓范圍

LT8603內(nèi)部電路和降壓轉(zhuǎn)換器啟動的 (V{IN}) 最小電壓為3.1V，但升壓控制器和 (INTV{CC4}) 調(diào)節(jié)器啟動至少需要4V。啟動后，升壓控制器可配置為為 (V_{IN}) 和 (PVIN) 引腳供電，此時升壓控制器的輸入電壓可以低于3V。

（三）啟用和欠壓鎖定

(EN/UVLO) 引腳可用于編程最小系統(tǒng)啟動電壓或欠壓鎖定（UVLO）電壓，其內(nèi)部閾值為1.2V，具有50mV的滯后。

（四）開關(guān)頻率

所有四個通道共享一個振蕩器，降壓通道以振蕩器頻率開關(guān)，升壓通道可以以 (f{OSC})、(f{OSC}/2) 或 (f_{OSC}/5) 的頻率開關(guān)。開關(guān)頻率范圍應(yīng)在選擇振蕩器頻率之前確定，低頻通常提供更好的效率和更寬的工作范圍，高頻則使用更小的組件并將開關(guān)噪聲移至敏感頻段之外，但效率較低。振蕩器頻率可通過將電阻從RT引腳連接到地進行編程，范圍為250kHz至2.2MHz。

（五）模式選擇和同步

通過將SYNC引腳連接到低于0.3V的電壓（如地）可選擇低紋波Burst Mode操作；連接到高于1.2V的電壓（如 (INTV_{CC})）可選擇脈沖跳過操作。將SYNC引腳與250kHz至2.2MHz的外部時鐘脈沖序列驅(qū)動，可使LT8603同步到外部頻率，此時LT8603將以脈沖跳過模式運行。

（六）(INTV_{CC}) 調(diào)節(jié)器

(INTV{CC}) 為振蕩器和參考等公共電路供電，其主要電流需求來自高壓降壓轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動器。啟動時由 (V{IN}) 供電，如果 (BIAS) 至少為3.1V，則從 (BIAS) 汲取電流。將 (BIAS) 引腳連接到開關(guān)調(diào)節(jié)器通道可提高效率、降低芯片功耗和睡眠電流。

（七）升壓控制器

1. 功能描述：通道4是一組與外部組件連接形成升壓轉(zhuǎn)換器的功能元件。誤差放大器將輸出電壓的一部分與800mV參考電壓進行比較，輸出 (I{LIM4}) 到電流比較器以設(shè)置峰值電流。電流比較器通過ISP4和ISN4引腳之間的小感測電阻感測電感電流，跳閘電平由誤差放大器輸出 (I{LIM4}) 和斜率補償信號 (SLOPE4) 設(shè)置，最大跳閘電平為50mV。
2. 輸出電壓設(shè)置：通過將FB4引腳連接到輸出的電阻分壓器來設(shè)置升壓控制器的輸出電壓。
3. 升壓配置：升壓控制器可配置為標準升壓調(diào)節(jié)器，當電池電壓下降到一定值以下時，升壓控制器將激活以維持輸出電壓。該配置的一個限制是無法為升壓輸出提供短路保護，如需短路過載保護，可考慮SEPIC配置。
4. SEPIC配置：SEPIC配置具有兩個主要優(yōu)點，一是像降壓/升壓一樣，可在任何輸入電壓下調(diào)節(jié)到準確的輸出電壓；二是提供短路保護和關(guān)機時0V輸出。缺點是電路更復(fù)雜，需要額外的組件。

（八）降壓調(diào)節(jié)器

1. 輸出電壓設(shè)置：通過從輸出到相關(guān)FBx引腳的電阻分壓器設(shè)置降壓通道的輸出電壓。
2. 工作頻率和輸入電壓范圍：每個降壓調(diào)節(jié)器的最小導(dǎo)通時間和最小關(guān)斷時間對可實現(xiàn)的占空比范圍和工作頻率施加限制。
3. 電感選擇：電感選擇涉及電感值、飽和電流、串聯(lián)電阻和磁損耗。選擇合適的電感值可根據(jù)特定公式計算，同時要確保電感的RMS電流額定值大于應(yīng)用的最大預(yù)期輸出負載，飽和電流額定值高于負載加一半紋波電流。
4. 短路輸出保護：如果底部MOSFET電流在時鐘周期開始時超過谷底電流限制，頂部MOSFET將保持關(guān)閉，直到過流情況消除。
5. 輸入電容選擇：降壓轉(zhuǎn)換器從輸入電源以脈沖形式吸取電流，需要輸入電容來減少輸入電壓紋波和最小化EMI。
6. 輸出電容選擇：輸出電容用于過濾電感電流以產(chǎn)生低電壓紋波的輸出，并存儲能量以最小化瞬態(tài)負載期間的下垂和過沖。
7. 升壓電容選擇：高壓通道需要高于 (PVIN) 的電壓來驅(qū)動頂部NFET開關(guān)的柵極，通過在每個通道的BST和SW引腳之間連接電容可創(chuàng)建約3.3V的電壓。
8. RUN、軟啟動、跟蹤：除了控制整個芯片的全局 (EN/UVLO) 引腳外，每個通道都有自己的獨立控制引腳。低壓通道的RUN引腳具有1.2V的固定內(nèi)部閾值，超過該閾值時啟動軟啟動。通道1和2的TRKSSx控制引腳可用于以受控方式提升每個輸出，實現(xiàn)輸出電壓跟蹤和可編程輸出軟啟動功能。
9. Burst Mode操作：將SYNC引腳保持低電平以選擇Burst Mode操作，LT8603將在輕載時自動轉(zhuǎn)換到Burst Mode以實現(xiàn)最佳效率。

（九）一般功能

1. 電源良好比較器：每個LT8603通道都有一個電源良好比較器，其開漏輸出引腳PGx在相應(yīng)反饋電壓偏離參考電壓超過8%時拉低。
2. 上電復(fù)位定時器：LT8603提供可編程的復(fù)位定時器，通過CPOR引腳連接的電容可調(diào)整上電復(fù)位超時時間。
3. 排序：LT8603在每個通道的輸出排序方面提供靈活性，包括上電復(fù)位定時器。每個通道都有電源良好輸出和輸入控制引腳，可實現(xiàn)復(fù)雜的排序功能。

（十）PCB布局

為了確保LT8603的正常運行和最小化EMI，在印刷電路板布局時需要注意以下幾點：

• 對于每個降壓調(diào)節(jié)器，輸入電容形成的電流環(huán)路應(yīng)盡可能小，將輸入電容靠近 (PVIN) 引腳和相鄰的GND引腳放置。
• 升壓控制器輸出環(huán)路（包括二極管和輸出電容組件）的 (di/dt) 最高，應(yīng)將涉及二極管和輸出電容的環(huán)路保持盡可能小。
• 在應(yīng)用電路下方的層放置局部、連續(xù)的接地平面，將SW和BST節(jié)點盡量縮小，以減少對敏感走線的噪聲耦合。
• 最小化連接到RT和所有FB引腳的走線，并根據(jù)需要提供接地屏蔽，以減少對這些敏感節(jié)點的噪聲耦合。
• 封裝底部的暴露焊盤必須與電路板接地良好的電氣和熱連接，為了獲得最佳性能，應(yīng)最大化電路板接地平面和熱過孔。

（十一）熱考慮

LT8603的暴露焊盤是將熱量從硅芯片傳導(dǎo)到PCB板和周圍空氣的主要路徑。應(yīng)在器件下方放置熱過孔，將熱量傳導(dǎo)到內(nèi)部接地平面和電路板背面。多個小過孔比幾個大過孔效果更好，因為銅是比可能填充過孔的焊料更好的導(dǎo)體。電路板平面將熱量分布到更大的區(qū)域，從而降低封裝到空氣的熱阻。良好的設(shè)計可以實現(xiàn)22°C/W的有效 (θ_{JA})。隨著環(huán)境溫度接近最大結(jié)溫額定值，應(yīng)降低最大負載電流。

五、典型應(yīng)用

（一）首頁應(yīng)用詳情

展示了一個具體的電路應(yīng)用，包括各個組件的參數(shù)和連接方式，以及啟動序列的波形圖。該應(yīng)用可在汽車冷啟動等場景中提供穩(wěn)定的電源輸出。

（二）通道4配置為SEPIC的四穩(wěn)壓輸出

將通道4配置為SEPIC轉(zhuǎn)換器，可提供四個穩(wěn)壓輸出，適用于需要更復(fù)雜電源配置的應(yīng)用。

（三）通道4由通道2驅(qū)動的四穩(wěn)壓輸出

通道4由通道2驅(qū)動，實現(xiàn)四個穩(wěn)壓輸出，這種配置可以根據(jù)具體應(yīng)用需求靈活調(diào)整電源分配。

（四）通道4提供48V輸出的四穩(wěn)壓輸出

適用于需要高電壓輸出的應(yīng)用場景，展示了LT8603在不同輸出電壓需求下的靈活性。

六、總結(jié)

LT8603作為一款高度靈活的四輸出調(diào)節(jié)器，具有豐富的功能和出色的性能。它能夠滿足多種應(yīng)用場景的需求，無論是汽車電子、工業(yè)控制還是其他領(lǐng)域，都能提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。工程師在使用LT8603時，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇組件參數(shù)、配置工作模式，并注意PCB布局和熱管理等方面，以充分發(fā)揮該芯片的優(yōu)勢。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的使用難題？你對電源管理芯片的發(fā)展趨勢有什么看法？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和觀點。