LT8390：高性能4開關(guān)降壓 - 升壓控制器的詳細(xì)解析

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。對(duì)于需要在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下穩(wěn)定調(diào)節(jié)輸出的應(yīng)用場景，LT8390這款同步4開關(guān)降壓 - 升壓控制器無疑是一個(gè)優(yōu)秀的選擇。它具有諸多出色的特性，能廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、電信等多個(gè)領(lǐng)域。接下來，我們將對(duì)LT8390進(jìn)行全面深入的剖析。

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二、產(chǎn)品特性

2.1 架構(gòu)與電壓適應(yīng)能力

采用4開關(guān)單電感架構(gòu)，這使得它能夠適應(yīng)輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的各種情況。無論是在復(fù)雜多變的電源環(huán)境中，還是在對(duì)電壓穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用里，這種架構(gòu)都能確保穩(wěn)定的電壓輸出。

2.2 同步開關(guān)與高效性能

同步開關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，讓其效率最高可達(dá)98%。這不僅能有效降低功耗，還能減少發(fā)熱，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，其專有的峰值降壓/峰值升壓電流模式控制方案，為精確的電流控制提供了有力保障。

2.3 寬輸入電壓范圍與高精度輸出

輸入電壓范圍為4V至60V，輸出電壓范圍為1V至60V，且輸出電壓精度可達(dá)±1.5%，輸入或輸出電流精度在有監(jiān)測的情況下可達(dá)±3%。如此寬的電壓范圍和高精度的輸出，使得LT8390能夠滿足眾多不同應(yīng)用的需求。

2.4 低EMI設(shè)計(jì)

具備擴(kuò)頻頻率調(diào)制功能，可有效降低電磁干擾（EMI）。在對(duì)電磁兼容性要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，這一特性顯得尤為重要，能避免對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。

2.5 其他特性

還集成了高端PMOS負(fù)載開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、自舉二極管等，并且在降壓或升壓模式下無頂部MOSFET刷新噪聲。其開關(guān)頻率可在150kHz至650kHz之間調(diào)節(jié)和同步，關(guān)機(jī)時(shí)輸出與輸入斷開，同時(shí)提供了多種封裝形式，如28引腳TSSOP和28引腳QFN（4mm × 5mm），還通過了AEC - Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證。

三、電氣特性

3.1 電源相關(guān)特性

• 輸入電壓范圍：4V至60V，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 靜態(tài)電流：在不同的使能狀態(tài)下，輸入和輸出的靜態(tài)電流都非常低，有助于降低功耗。

  3.2 線性調(diào)節(jié)器特性

• INTVCC：其調(diào)節(jié)電壓為4.85V至5.15V，負(fù)載調(diào)節(jié)和線性調(diào)節(jié)性能良好，電流限制為80mA至160mA，欠壓鎖定閾值和滯后也有明確的規(guī)定。
• VREF：調(diào)節(jié)電壓為1.97V至2.03V，負(fù)載調(diào)節(jié)和線性調(diào)節(jié)精度高，電流限制為2mA至3.2mA。

  3.3 控制輸入/輸出特性

• EN/UVLO：具有明確的關(guān)斷閾值和使能閾值，以及相應(yīng)的滯后電流。
• CTRL：可用于編程ISP/ISN電流限制，不同的電壓范圍對(duì)應(yīng)不同的電流限制模式。

  3.4 負(fù)載開關(guān)驅(qū)動(dòng)器特性

• LOADEN：有明確的閾值和滯后，能有效控制負(fù)載開關(guān)的通斷。

  3.5 誤差放大器特性

• 對(duì)滿量程電流調(diào)節(jié)和1/10電流調(diào)節(jié)都有精確的控制，ISMON能準(zhǔn)確監(jiān)測電流。

  3.6 電流比較器特性

• 有最大電流檢測閾值和反向電流檢測閾值，能有效保護(hù)電路。

  3.7 故障保護(hù)特性

• 對(duì)FB過壓、短路等故障有明確的閾值和滯后，PGOOD能及時(shí)反饋電源狀態(tài)。

  3.8 振蕩器特性

• 開關(guān)頻率可通過RT引腳設(shè)置，還支持同步和擴(kuò)頻功能。

  3.9 區(qū)域轉(zhuǎn)換特性

• 在不同的輸入輸出電壓比下，能實(shí)現(xiàn)平滑的模式轉(zhuǎn)換。

  3.10 NMOS驅(qū)動(dòng)器特性

• 對(duì)TG1、TG2和BG1、BG2的驅(qū)動(dòng)電阻、上升時(shí)間、下降時(shí)間等都有詳細(xì)的參數(shù)規(guī)定。

四、工作原理

4.1 功率開關(guān)控制

通過四個(gè)功率開關(guān)A、B、C、D與電感L、電流檢測電阻RSENSE、電源輸入VIN和輸出VOUT相連，根據(jù)輸入輸出電壓比的不同，采用不同的電流模式控制，實(shí)現(xiàn)了在降壓、降壓 - 升壓和升壓區(qū)域之間的平滑過渡。具體分為四種狀態(tài)：

• 峰值降壓 - 降壓區(qū)域：當(dāng)VIN遠(yuǎn)高于VOUT時(shí)，開關(guān)C始終關(guān)閉，開關(guān)D始終打開，開關(guān)A和B交替工作，如同典型的同步降壓調(diào)節(jié)器。
• 峰值降壓 - 降壓 - 升壓區(qū)域：當(dāng)VIN略高于VOUT時(shí)，開關(guān)C在開始的15%周期內(nèi)打開，開關(guān)D在剩余的85%周期內(nèi)打開，開關(guān)A和B根據(jù)電感電流情況交替工作。
• 峰值升壓 - 降壓 - 升壓區(qū)域：當(dāng)VIN略低于VOUT時(shí)，開關(guān)A在開始的85%周期內(nèi)打開，開關(guān)B在剩余的15%周期內(nèi)打開，開關(guān)C和D根據(jù)電感電流情況交替工作。
• 峰值升壓 - 升壓區(qū)域：當(dāng)VIN遠(yuǎn)低于VOUT時(shí)，開關(guān)A始終打開，開關(guān)B始終關(guān)閉，開關(guān)C和D交替工作，如同典型的同步升壓調(diào)節(jié)器。

  4.2 主控制回路

  通過電感檢測電阻檢測電感電流，將電流檢測電壓放大并與斜坡補(bǔ)償信號(hào)相加，輸入到降壓和升壓電流比較器中。根據(jù)峰值降壓/峰值升壓電流模式控制的狀態(tài)，由降壓邏輯或升壓邏輯控制四個(gè)功率開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)FB電壓或ISP/ISN電流的調(diào)節(jié)。

  4.3 輕載電流操作

  在輕載時(shí)，LT8390可運(yùn)行在全開關(guān)頻率不連續(xù)導(dǎo)通模式或脈沖跳過模式，通過設(shè)置反向電流檢測閾值，避免電感電流反向，提高效率。

  4.4 內(nèi)部充電路徑

  每個(gè)頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器由其浮動(dòng)自舉電容偏置，當(dāng)頂部MOSFET關(guān)閉時(shí)，通過集成的自舉二極管由INTVCC充電。在降壓或升壓區(qū)域單獨(dú)工作時(shí)，內(nèi)部充電路徑可確保自舉電容充電到4.6V，使頂部MOSFET保持導(dǎo)通。

  4.5 關(guān)機(jī)和上電復(fù)位

  當(dāng)EN/UVLO引腳低于關(guān)斷閾值時(shí)，進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，靜態(tài)電流小于2μA；當(dāng)高于關(guān)斷閾值時(shí)，喚醒啟動(dòng)電路，生成帶隙基準(zhǔn)，為內(nèi)部INTVCC LDO供電。當(dāng)INTVCC引腳充電高于上升UVLO閾值，EN/UVLO引腳通過上升使能閾值，且結(jié)溫低于熱關(guān)斷溫度時(shí)，進(jìn)入使能模式，經(jīng)過上電復(fù)位后，等待CTRL和LOADEN引腳信號(hào)開始開關(guān)操作。

  4.6 啟動(dòng)和故障保護(hù)

  啟動(dòng)過程分為多個(gè)狀態(tài)，通過SS引腳的電壓變化控制輸出電壓的軟啟動(dòng)。在輸出短路時(shí)，可通過連接不同阻值的電阻設(shè)置打嗝、鎖存或持續(xù)運(yùn)行三種故障保護(hù)模式。

五、應(yīng)用信息

5.1 開關(guān)頻率選擇

開關(guān)頻率在150kHz至650kHz之間選擇，需要在效率和組件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。低頻操作可降低MOSFET開關(guān)損耗，提高效率，但需要更大的電感和電容值；高頻操作可減小總解決方案尺寸，適用于低功率應(yīng)用。同時(shí)，在對(duì)噪聲敏感的系統(tǒng)中，應(yīng)選擇合適的開關(guān)頻率以避免干擾敏感頻段。

5.2 開關(guān)頻率設(shè)置

通過將SYNC/SPRD引腳接地，使用RT引腳到地的電阻設(shè)置開關(guān)頻率。不同的電阻值對(duì)應(yīng)不同的開關(guān)頻率，具體可參考表格。

5.3 擴(kuò)頻頻率調(diào)制

通過將SYNC/SPRD引腳連接到INTVCC，可實(shí)現(xiàn)±15%的三角擴(kuò)頻頻率調(diào)制，有效改善電磁干擾性能。

5.4 頻率同步

可使用SYNC/SPRD引腳將開關(guān)頻率同步到外部時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比應(yīng)在10%至90%之間，上升沿表示開關(guān)周期的開始。

5.5 電感選擇

電感值與開關(guān)頻率相關(guān)，較高的開關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值。電感值直接影響紋波電流，可根據(jù)客戶設(shè)定的紋波允許值計(jì)算最小電感值。同時(shí)，為保證穩(wěn)定性，在占空比大于50%時(shí)，還需滿足一定的電感要求。應(yīng)選擇低磁芯損耗、低直流電阻、能承受峰值電感電流且不飽和度的電感，最好使用屏蔽電感以減少輻射噪聲。

5.6 RSENSE選擇和最大輸出電流

RSENSE根據(jù)所需輸出電流選擇，其在降壓和升壓區(qū)域的最大電流檢測閾值決定了最大電感峰值電流。可根據(jù)不同區(qū)域的公式計(jì)算最大平均負(fù)載電流和最大電流檢測電阻值，最終RSENSE值應(yīng)低于計(jì)算值，并保留一定的余量。

5.7 功率MOSFET選擇

需要四個(gè)外部N溝道功率MOSFET，應(yīng)考慮其擊穿電壓、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、反向傳輸電容和最大電流等參數(shù)。根據(jù)不同開關(guān)在不同區(qū)域的工作情況，計(jì)算其最大功耗，并通過公式計(jì)算結(jié)溫，確保MOSFET在安全溫度范圍內(nèi)工作。

5.8 可選肖特基二極管選擇

可選的肖特基二極管DB和DD可在功率MOSFET開關(guān)的死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，防止同步開關(guān)的體二極管導(dǎo)通和存儲(chǔ)電荷，提高轉(zhuǎn)換器效率，降低開關(guān)電壓應(yīng)力。

5.9 CIN和COUT選擇

輸入和輸出電容用于抑制電壓紋波，應(yīng)選擇低ESR和高紋波電流額定值的電容。陶瓷電容應(yīng)靠近調(diào)節(jié)器輸入和輸出放置，以抑制高頻開關(guān)尖峰。根據(jù)不同區(qū)域的電流情況，計(jì)算輸入和輸出電容的紋波電壓，選擇合適的電容值。

5.10 INTVCC調(diào)節(jié)器

內(nèi)部P溝道低壓差調(diào)節(jié)器從VIN引腳產(chǎn)生5V的INTVCC電壓，為內(nèi)部電路和柵極驅(qū)動(dòng)器供電。應(yīng)使用至少4.7μF的陶瓷電容對(duì)其進(jìn)行旁路，以提供MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器所需的高瞬態(tài)電流。在高輸入電壓和高開關(guān)頻率的應(yīng)用中，需注意功率耗散和結(jié)溫，可通過公式估算結(jié)溫。

5.11 頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器電源

頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器由浮動(dòng)自舉電容偏置，自舉電容需存儲(chǔ)約100倍頂部開關(guān)所需的柵極電荷，通常使用0.1μF至0.47μF、X5R或X7R介質(zhì)的電容。

5.12 編程VIN UVLO

通過從VIN到EN/UVLO引腳的電阻分壓器實(shí)現(xiàn)VIN欠壓鎖定，可根據(jù)公式計(jì)算可編程的UVLO閾值。

5.13 編程輸入或輸出電流限制

通過在輸入或輸出功率路徑中放置合適的電流檢測電阻RIS，使用CTRL引腳編程輸入或輸出電流限制。當(dāng)CTRL引腳電壓在不同范圍時(shí)，電流限制有不同的計(jì)算公式。同時(shí)，若RIS放置在特定位置，可能需要使用低通濾波器來減少電流紋波和穩(wěn)定電流環(huán)路。

5.14 ISMON電流監(jiān)測

ISMON引腳提供通過ISP/ISN電流檢測電阻RIS的電流的緩沖監(jiān)測輸出，可用于并聯(lián)應(yīng)用中的電流共享。

5.15 負(fù)載開關(guān)控制

LOADEN和LOADTG引腳用于控制高端PMOS負(fù)載開關(guān)的通斷，將LOADEN引腳拉低可關(guān)閉TG1和TG2，打開BG1和BG2，斷開VC引腳與內(nèi)部負(fù)載的連接，并關(guān)閉LOADTG。

5.16 高端PMOS負(fù)載開關(guān)選擇

在需要負(fù)載開關(guān)控制的應(yīng)用中，應(yīng)選擇合適的高端PMOS負(fù)載開關(guān)，考慮其漏源電壓、柵源閾值電壓和連續(xù)漏電流等參數(shù)。

5.17 編程輸出電壓和閾值

通過FB引腳和反饋電阻R3、R4可編程恒定電壓輸出，同時(shí)可設(shè)置輸出過壓閾值、PGOOD上下閾值和輸出短路閾值。

5.18 電源GOOD（PGOOD）引腳

PGOOD引腳為開漏狀態(tài)，當(dāng)VFB在1.00V調(diào)節(jié)電壓的±10%范圍內(nèi)時(shí)，引腳被拉低，可通過外部電阻上拉。

5.19 軟啟動(dòng)和短路保護(hù)

通過在SS引腳連接外部電容可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的軟啟動(dòng)，內(nèi)部12.5μA的上拉電流對(duì)電容充電，使輸出電壓平滑上升。SS引腳還可作為故障定時(shí)器，通過連接不同阻值的電阻到VREF引腳，可設(shè)置三種不同的故障保護(hù)模式。

5.20 環(huán)路補(bǔ)償

LT8390使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器，通過VC引腳的補(bǔ)償電阻和電容優(yōu)化控制環(huán)路響應(yīng)和穩(wěn)定性。對(duì)于典型的電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)用，VC引腳使用10nF的補(bǔ)償電容，并串聯(lián)電阻以提高VC引腳的壓擺率，確保在輸入電源快速瞬變時(shí)保持更嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)。

5.21 效率考慮

開關(guān)調(diào)節(jié)器的功率效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。LT8390電路中的主要損耗源包括DC I2R損耗、過渡損耗、INTVCC電流、CIN和COUT損耗以及其他損耗。在調(diào)整以提高效率時(shí)，輸入電流是效率變化的最佳指標(biāo)。

六、PCB布局檢查清單

6.1 基本布局要求

• 采用專用的接地平面層，對(duì)于高電流應(yīng)用，多層板可為功率組件提供散熱。
• 接地平面層應(yīng)無走線，且應(yīng)盡可能靠近功率MOSFET所在層。

  6.2 組件布局

• 將CIN、開關(guān)A、開關(guān)B和DB放置在一個(gè)緊湊的區(qū)域，將COUT、開關(guān)C、開關(guān)D和DD放置在另一個(gè)緊湊的區(qū)域。
• 使用立即過孔將組件連接到接地平面，每個(gè)功率組件使用多個(gè)大過孔。

  6.3 電源平面

  使用平面用于VIN和VOUT，以保持良好的電壓濾波和低功率損耗。

  6.4 銅填充

  將所有層的未使用區(qū)域用銅填充，將銅區(qū)域連接到任何DC網(wǎng)絡(luò)（VIN或GND），以降低功率組件的溫度上升。

  6.5 信號(hào)和功率接地分離

  將信號(hào)和功率接地分離，所有小信號(hào)組件應(yīng)從底部返回暴露的GND焊盤，然后在靠近開關(guān)B和開關(guān)C源極的位置連接到功率GND。

  6.6 開關(guān)位置

  將開關(guān)A和開關(guān)C盡可能靠近控制器放置，保持PGND、BG和SW走線短。

  6.7 高dV/dT節(jié)點(diǎn)處理

  將高dV/dT的SW1、SW2、BST1、BST2、TG1和TG2節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離敏感的小信號(hào)節(jié)點(diǎn)。

  6.8 電流路徑

  開關(guān)A、開關(guān)B、DB和CIN電容形成的路徑以及開關(guān)C、開關(guān)D、DD和COUT電容形成的路徑應(yīng)具有短的引線和PCB走線長度。

  6.9 電容連接

  輸出電容的（ - ）端子應(yīng)盡可能靠近輸入電容的（ - ）端子連接。

  6.10 頂部驅(qū)動(dòng)器電容連接

  將頂部驅(qū)動(dòng)器升壓電容CBST1緊密連接到BST1和SW1引腳，將CBST2緊密連接到BST2和SW2引腳。

  6.11 輸入和輸出電容連接

  將輸入電容CIN和輸出電容COUT緊密連接到功率MOSFET，這些電容承載MOSFET的交流電流。

  6.12 電流檢測走線

  將LSP和LSN走線一起布線，最小化PCB走線間距，避免感測線穿過嘈雜區(qū)域，如開關(guān)節(jié)點(diǎn)。LSP和LSN之間的濾波電容應(yīng)盡可能靠近IC，并使用Kelvin連接確保準(zhǔn)確的電流檢測，推薦使用低ESL感測電阻。

  6.13 VC引腳補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接

  將VC引腳補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)靠近IC連接在VC和信號(hào)接地之間，電容有助于過濾PCB噪聲和輸出電壓紋波對(duì)補(bǔ)償環(huán)路的影響。

  6.14 INTVCC旁路電容連接

  將INTVCC旁路電容CINTVCC靠近IC連接在INTVCC和功率接地之間，該電容承載MOSFET驅(qū)動(dòng)器的電流峰值。在INTVCC引腳和功率接地旁邊立即放置一個(gè)額外的1μF陶瓷電容可顯著改善噪聲性能。

七、典型應(yīng)用

7.1 98%高效48W（12V 4A）微型降壓 - 升壓電壓調(diào)節(jié)器

該應(yīng)用展示了LT8390在特定功率和電壓條件下的高效性能，通過合理選擇電感、MOSFET、電容等組件，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的電壓輸出和高轉(zhuǎn)換效率。

7.2 98%高效300W（12V 25A）降壓 - 升壓電壓調(diào)節(jié)器

適用于高功率應(yīng)用，詳細(xì)介紹了組件的選擇和電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了效率與負(fù)載電流、功率損耗與負(fù)載電流的關(guān)系曲線，為實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

7.3 125W（25V 5A）太陽能電池板到12V電池充電器

將LT8390應(yīng)用于太陽能充電領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了從太陽能電池板到電池的高效充電，展示了其在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

八、總結(jié)

LT8390作為一款高性能的同步4開關(guān)降壓 - 升壓控制器，憑借其出色的特性、靈活的工作模式和豐富的應(yīng)用功能，在電源管理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。無論是在汽車、工業(yè)、電信等傳統(tǒng)領(lǐng)域，還是在太陽能充電等新興領(lǐng)域，都能發(fā)揮重要作用。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇組件和設(shè)置參數(shù)，充分發(fā)揮LT8390的優(yōu)勢