LT8495：高性能SEPIC/Boost轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來(lái)深入探討一款優(yōu)秀的電源管理芯片——LT8495，它是一款具備多種功能的SEPIC/Boost轉(zhuǎn)換器，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了強(qiáng)大的支持。

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一、LT8495概述

LT8495是一款可調(diào)頻率（250kHz至1.5MHz）的單片式開關(guān)穩(wěn)壓器，集成了上電復(fù)位和看門狗定時(shí)器功能。其輸入電壓范圍廣泛，約為1V至60V（啟動(dòng)時(shí)為2.5V至32V），非常適合多種應(yīng)用場(chǎng)景。該芯片具有低靜態(tài)電流的特點(diǎn)，工作時(shí)靜態(tài)電流可小于9μA，當(dāng)SWEN、WDE和RSTIN引腳為低電平時(shí)，靜態(tài)電流約為0.3μA。

二、核心特性亮點(diǎn)

2.1 低紋波突發(fā)模式

LT8495的低紋波突發(fā)模式（Burst Mode?）操作在輕負(fù)載情況下表現(xiàn)出色。在這種模式下，芯片以單周期脈沖的方式向輸出電容輸送電流，隨后進(jìn)入睡眠期，由輸出電容為負(fù)載供電。這種工作方式使得在睡眠期間，(V_{IN}) / BIAS引腳的靜態(tài)電流典型值可降低至3μA至6μA，有效提高了輕負(fù)載時(shí)的效率。而且，輸出電壓紋波小于10mV（典型值），通過(guò)增加輸出電容，紋波還能進(jìn)一步降低。

2.2 雙電源引腳設(shè)計(jì)

芯片具有雙電源引腳（VIN和BIAS），這一設(shè)計(jì)極大地提高了效率。在啟動(dòng)后，即使(V_{IN})電壓降至2.5V以下，芯片仍可從輸出（BIAS）汲取電流，從而延長(zhǎng)了電池壽命。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)還能降低最小供電電壓至約1V。

2.3 集成式功率開關(guān)

內(nèi)部集成了2A/70V的功率開關(guān)，為電路設(shè)計(jì)提供了便利，減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。

2.4 可編程功能

• 看門狗定時(shí)器：可編程的看門狗定時(shí)器可在(V_{IN})電源移除時(shí)仍能正常工作，通過(guò)監(jiān)測(cè)微控制器的活動(dòng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)微控制器出現(xiàn)代碼執(zhí)行錯(cuò)誤時(shí)，看門狗定時(shí)器能及時(shí)檢測(cè)到并拉低WDO引腳，觸發(fā)復(fù)位操作。
• 上電復(fù)位定時(shí)器（POR）：可編程的POR定時(shí)器，RST功能在輸入電源低至1.3V時(shí)仍可正常工作，確保系統(tǒng)在上電時(shí)能正確復(fù)位。
• 開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在250kHz至1.5MHz之間進(jìn)行編程，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求靈活調(diào)整。
• 欠壓鎖定（UVLO）：SWEN和RSTIN引腳可進(jìn)行可編程的UVLO設(shè)置，防止在輸入電壓過(guò)低時(shí)出現(xiàn)異常操作。
• 軟啟動(dòng)：通過(guò)一個(gè)電容即可實(shí)現(xiàn)可編程的軟啟動(dòng)功能，限制啟動(dòng)時(shí)的峰值開關(guān)電流，保護(hù)電路元件。

2.5 故障容錯(cuò)能力

在TSSOP封裝中，LT8495具有故障容錯(cuò)能力，相鄰引腳短路或開路時(shí)，不會(huì)使輸出電壓超過(guò)編程值，提高了系統(tǒng)的可靠性。

三、工作原理深度剖析

3.1 開關(guān)穩(wěn)壓器工作原理

從框圖中可以看出，可調(diào)振蕩器通過(guò)外部RT電阻設(shè)置頻率，使RS鎖存器置位，開啟內(nèi)部功率開關(guān)。放大器和比較器監(jiān)測(cè)通過(guò)內(nèi)部感測(cè)電阻的開關(guān)電流，當(dāng)電流達(dá)到由VC電壓確定的水平時(shí)，關(guān)閉開關(guān)。誤差放大器通過(guò)連接到FB引腳的外部電阻分壓器測(cè)量輸出電壓，調(diào)整VC電壓，從而控制輸出電流。內(nèi)部穩(wěn)壓器為控制電路提供電源。

3.2 啟動(dòng)操作

• SWEN引腳監(jiān)測(cè)：內(nèi)部電壓基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)SWEN引腳電壓，提供精確的開啟閾值，通過(guò)連接外部電阻分壓器可實(shí)現(xiàn)用戶可編程的欠壓鎖定功能。
• 軟啟動(dòng)電路：軟啟動(dòng)電路使開關(guān)電流逐漸上升。啟動(dòng)時(shí)，外部SS電容先放電，然后內(nèi)部256k電阻將SS引腳拉至約2.1V，通過(guò)連接外部電容可設(shè)置引腳電壓的上升速率。
• 頻率折返電路：當(dāng)FB引腳電壓低于1V時(shí)，頻率折返電路降低最大開關(guān)頻率，減少最小占空比，便于在啟動(dòng)時(shí)更好地控制開關(guān)電流。

3.3 上電復(fù)位和看門狗定時(shí)器操作

• 上電復(fù)位（POR）：POR電路和復(fù)位定時(shí)器確保RST引腳在初始上電后低電平保持一段可編程的復(fù)位延遲時(shí)間。在正常運(yùn)行中，當(dāng)RSTIN引腳低于閾值或芯片因異常情況進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，RST引腳也會(huì)被拉低。
• 看門狗定時(shí)器：看門狗定時(shí)器監(jiān)測(cè)微控制器的活動(dòng)，通過(guò)WDE引腳啟用或禁用。啟用后，需要WDI引腳在編程的時(shí)間窗口內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)的負(fù)邊沿，以防止WDO引腳拉低。如果WDI信號(hào)不符合要求，WDO引腳將拉低，復(fù)位定時(shí)器會(huì)使WDO引腳在CPOR引腳設(shè)置的延遲時(shí)間內(nèi)保持低電平。

四、關(guān)鍵應(yīng)用信息詳解

4.1 輸出電壓設(shè)置

輸出電壓通過(guò)從輸出到FB引腳（R2）以及從FB引腳到地（R1）的電阻分壓器進(jìn)行編程，計(jì)算公式為(R 2=R 1left(frac{V_{OUT }}{1.202}-1right))。選擇較大的電阻可以降低應(yīng)用電路的靜態(tài)電流，在輕負(fù)載應(yīng)用中尤為重要。

4.2 功率開關(guān)占空比

為了保持環(huán)路穩(wěn)定性并向負(fù)載提供足夠的電流，功率NPN開關(guān)的占空比有一定限制。最大允許占空比(D C{MAX }=frac{T{P}- Minimum Switch Off-Time }{T{P}} cdot 100 %)，最小允許占空比(D C{MIN }=frac{ Minimum Switch On-Time }{T{P}} cdot 100 %)，其中(T{P})為時(shí)鐘周期，最小開關(guān)關(guān)斷時(shí)間典型值為70ns，最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間典型值為95ns。應(yīng)用設(shè)計(jì)應(yīng)確保工作占空比在(D C{MIN})和(D C{MAX})之間。

4.3 開關(guān)頻率設(shè)置

4.4 電感選擇

• 一般準(zhǔn)則：由于LT8495的高頻操作，可使用小型表面貼裝電感。為提高效率，應(yīng)選擇具有高頻磁芯材料（如鐵氧體）的電感，以減少磁芯損耗；選擇體積較大的電感，降低DCR（銅線電阻），減少(I^{2}R)損耗，并確保電感能夠承受峰值電流而不飽和。
• 最小電感：選擇電感時(shí)，要考慮提供足夠的負(fù)載電流和避免次諧波振蕩兩個(gè)條件。為提供足夠的負(fù)載電流，電感值應(yīng)滿足相應(yīng)公式；在占空比大于50%的應(yīng)用中，電感值還需滿足避免次諧波振蕩的要求。
• 最大電感：過(guò)大的電感會(huì)使電流紋波降低，導(dǎo)致電流比較器難以準(zhǔn)確判別，從而引起占空比抖動(dòng)和調(diào)節(jié)性能下降。最大電感可通過(guò)公式(L{MAX }=frac{V{IN }-V{CESAT }}{I{MIN(RIPPLE) }} cdot frac{DC}{f})計(jì)算。
• 電流額定值：電感的額定電流應(yīng)大于其峰值工作電流，以防止電感飽和導(dǎo)致效率損失。

4.5 電容選擇

輸出端應(yīng)使用低ESR（等效串聯(lián)電阻）的電容，以最小化輸出紋波電壓。多層陶瓷電容是理想選擇，具有極低的ESR和小封裝尺寸，X5R或X7R電介質(zhì)更適合，能在較寬的電壓和溫度范圍內(nèi)保持電容值。輸入去耦電容應(yīng)盡可能靠近(V_{IN})和BIAS引腳放置，2.2μF至4.7μF的輸入電容通常適用于大多數(shù)應(yīng)用。

4.6 二極管選擇

在升壓或SEPIC拓?fù)渲惺褂玫亩O管，其反向電壓額定值應(yīng)大于峰值反向電壓。同時(shí)，要考慮反向泄漏電流，它會(huì)影響輕負(fù)載時(shí)的效率。肖特基二極管在正向電壓和泄漏電流之間存在權(quán)衡，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。

4.7 軟啟動(dòng)

LT8495的軟啟動(dòng)電路通過(guò)連接外部電容（通常為100nF至1μF）到SS引腳，限制啟動(dòng)時(shí)的峰值開關(guān)電流。當(dāng)芯片啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)部256k電阻將SS引腳電壓緩慢升至約2.1V，隨著電容充電，電流限制逐漸增加，使輸出電容逐漸充電至最終值。

4.8 電源供應(yīng)和操作限制

• 功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)器（PSD）操作范圍：PSD必須由高于最小工作電壓（典型值2.4V）且低于PSD過(guò)壓閾值（典型值34V）的電源供電。如果(V_{IN})和BIAS都不在此范圍內(nèi)，PSD和開關(guān)穩(wěn)壓器將自動(dòng)禁用。
• 復(fù)位和看門狗操作電壓限制：復(fù)位電路在(V{IN})或BIAS高于1.3V時(shí)正常工作，看門狗定時(shí)器在(V{IN})或BIAS在2.5V至60V之間時(shí)正常工作。
• 自動(dòng)電源選擇：為了最小化功率損耗，LT8495會(huì)自動(dòng)從最低合適電壓的電源（(V{IN})或BIAS）汲取所需電流，電源選擇會(huì)根據(jù)(V{IN})和BIAS電壓的變化而自動(dòng)調(diào)整。
• BIAS連接：對(duì)于SEPIC轉(zhuǎn)換器，BIAS通常連接到(V{OUT})，可提高效率；對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，BIAS可連接到(V{OUT})或地，具體取決于應(yīng)用需求。
• (V_{IN}) / BIAS斜坡速率：在啟動(dòng)開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用時(shí)，應(yīng)限制(V_{IN}) / BIAS的斜坡速率，避免過(guò)高的斜坡速率導(dǎo)致被動(dòng)元件中的浪涌電流過(guò)大，損壞元件或芯片。

4.9 看門狗定時(shí)器

• 功能原理：LT8495的看門狗定時(shí)器可監(jiān)測(cè)微控制器的活動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)代碼執(zhí)行錯(cuò)誤時(shí)，能檢測(cè)到并拉低WDO引腳，可將WDO引腳連接到RST或微控制器的其他輸入引腳，實(shí)現(xiàn)復(fù)位或中斷操作。
• 定時(shí)電容選擇：看門狗超時(shí)周期可通過(guò)連接電容(C_{WDT})到CWDT引腳進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)相關(guān)公式和圖表，可以根據(jù)所需的超時(shí)周期選擇合適的電容值。
• 啟動(dòng)條件：在POR或熱鎖定期間、WDE引腳為低電平時(shí)以及WDO引腳拉低期間，看門狗定時(shí)器不監(jiān)測(cè)WDI引腳。在相應(yīng)條件解除后，需要等待CWDT引腳充電至約200mV后，才開始監(jiān)測(cè)WDI引腳。

4.10 復(fù)位條件

LT8495有三種復(fù)位條件：POR（當(dāng)(V{IN})和BIAS都低于2.4V時(shí)）、熱鎖定（芯片溫度過(guò)高時(shí)）和RSTIN欠壓鎖定（RSTIN輸入低于1.1V時(shí)）。這些條件都會(huì)使RST引腳拉低，通過(guò)連接外部電阻分壓器可實(shí)現(xiàn)欠壓檢測(cè)功能?？删幊潭〞r(shí)器會(huì)在復(fù)位條件解除后延遲釋放RST引腳，延遲時(shí)間(t{RST})可通過(guò)連接電容(C_{POR})到CPOR引腳進(jìn)行編程。

4.11 欠壓鎖定

• 輸入U(xiǎn)VLO：通過(guò)將電阻分壓器從(V{IN})連接到SWEN引腳，可實(shí)現(xiàn)輸入欠壓鎖定功能，當(dāng)(V{IN})低于所需閾值時(shí)，禁用開關(guān)穩(wěn)壓器。
• 輸出UVLO：將RST和RSTIN引腳連接，可實(shí)現(xiàn)輸出欠壓鎖定功能，當(dāng)(V{OUT})低于所需電壓時(shí)，拉低RST引腳，復(fù)位由(V{OUT})供電的設(shè)備。
• POR UVLO：當(dāng)(V_{IN})和BIAS都過(guò)低（典型值小于2.4V）時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器和看門狗定時(shí)器將被禁用。

4.12 高溫考慮

在較高環(huán)境溫度下，應(yīng)注意PCB布局，確保LT8495有良好的散熱。封裝底部的裸露焊盤必須焊接到接地平面，并通過(guò)熱過(guò)孔連接到較大的銅層，以散發(fā)芯片產(chǎn)生的熱量。隨著環(huán)境溫度接近最大結(jié)溫額定值，應(yīng)降低最大負(fù)載電流。同時(shí)，要考慮高溫下SWEN、RSTIN、WDE和FB引腳的泄漏電流增加問(wèn)題。當(dāng)芯片溫度達(dá)到約165°C時(shí)，會(huì)進(jìn)入熱鎖定狀態(tài)，芯片復(fù)位，溫度下降約5°C后重新啟用。

4.13 故障容錯(cuò)

LT8495在TSSOP封裝中設(shè)計(jì)了故障容錯(cuò)功能，相鄰引腳短路或單個(gè)引腳浮空不會(huì)使輸出電壓升高或損壞芯片。但NC引腳必須浮空以確保故障容錯(cuò)能力，為了在相鄰引腳短路時(shí)獲得最佳容錯(cuò)效果，BIAS引腳應(yīng)連接到高于1.230V的電源或輸出。

4.14 布局提示

在進(jìn)行PCB布局時(shí)，要注意實(shí)現(xiàn)最佳的電氣、熱和噪聲性能。高速開關(guān)電流路徑應(yīng)盡可能短，以減少寄生電感和噪聲。使用接地平面可防止層間耦合和整體噪聲。FB組件應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)，其接地應(yīng)與開關(guān)電流路徑分開，以避免穩(wěn)定性問(wèn)題或次諧波振蕩。

五、典型應(yīng)用案例展示

5.1 750kHz，16V至32V輸入，48V輸出，0.5A升壓轉(zhuǎn)換器

該應(yīng)用案例實(shí)現(xiàn)了將16V至32V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為48V輸出，輸出電流可達(dá)0.5A。通過(guò)合理選擇電感、電容和二極管等元件，確保了高效穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。在(V_{IN}=24V)時(shí)，效率表現(xiàn)良好。

5.2 400kHz寬輸入和輸出范圍SEPIC轉(zhuǎn)換器，帶電荷泵開關(guān)

此應(yīng)用適用于輸入電壓范圍為6V至38V（啟動(dòng)時(shí)為6V至32V），輸出電壓范圍為20V至60V的場(chǎng)景，輸出電流為80mA。通過(guò)多個(gè)電容和二極管的組合，實(shí)現(xiàn)了寬范圍的電壓轉(zhuǎn)換。

5.3 Li - Ion至12V，低靜態(tài)電流升壓轉(zhuǎn)換器，650kHz

針對(duì)Li - Ion電池供電的應(yīng)用，該轉(zhuǎn)換器將2.8V至4.1V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為12V輸出，輸出電流為200mA。在(V_{IN}=3.3V)時(shí)，效率較高，滿足了低功耗應(yīng)用的需求。

5.4 250kHz，5V至300V，低靜態(tài)電流反激轉(zhuǎn)換器

該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了將5V輸入轉(zhuǎn)換為300V輸出，輸出電流為2mA。由于輸出電壓較高，需要注意高壓安全問(wèn)題，僅由經(jīng)過(guò)高壓培訓(xùn)的人員操作。

5.5 450kHz，5V輸出SEPIC轉(zhuǎn)換器

該轉(zhuǎn)換器可在3V至60V（啟動(dòng)時(shí)為3V至32V）的輸入電壓下，輸出5V電壓，不同輸入電壓下的輸出電流有所不同。通過(guò)合理的元件選擇和電路設(shè)計(jì)，確保了輸出的穩(wěn)定性。

5.6 1.5MHz，12V輸出SEPIC轉(zhuǎn)換器

在9V至16V的輸入電壓下，該轉(zhuǎn)換器輸出12V電壓，輸出電流為0.5A。在(V_{IN}=12V)時(shí)，效率和功率損耗表現(xiàn)良好。

5.7 450kHz，寬輸入范圍12V輸出SEPIC轉(zhuǎn)換器

此應(yīng)用適用于3V至55V（啟動(dòng)時(shí)為3V至32V）的輸入電壓，不同輸入電壓下的輸出電流不同。在不同輸入電壓和負(fù)載電流下，效率和無(wú)負(fù)載供電電流表現(xiàn)穩(wěn)定。

六、相關(guān)產(chǎn)品對(duì)比