LT3791-1：60V 4開(kāi)關(guān)同步降壓-升壓控制器的深度剖析

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)。今天，我們將深入探討一款功能強(qiáng)大的同步4開(kāi)關(guān)降壓 - 升壓控制器——LT3791-1。它適用于汽車、工業(yè)、電信等多個(gè)領(lǐng)域，能夠在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓、輸出電流或輸入電流的有效調(diào)節(jié)。

文件下載：LT3791-1.pdf

二、LT3791-1概述

（一）產(chǎn)品特性

1. 4開(kāi)關(guān)單電感架構(gòu)：允許輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓，這使得它在各種復(fù)雜的電源環(huán)境中都能穩(wěn)定工作。例如，在汽車電子系統(tǒng)中，電池電壓可能會(huì)隨著充電狀態(tài)和負(fù)載的變化而波動(dòng)，LT3791-1能夠靈活應(yīng)對(duì)這種電壓變化，確保輸出電壓的穩(wěn)定。
2. 同步開(kāi)關(guān)：效率高達(dá)98.5%，這意味著在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能夠最大程度地減少能量損失，提高電源的整體效率。對(duì)于一些對(duì)功耗要求較高的設(shè)備，如移動(dòng)設(shè)備或便攜式儀器，這種高效率的特性尤為重要。
3. 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為4.7V至60V，輸出電壓精度為2%（1.2V ≤ VOUT < 60V），輸出電流精度為6%（0V ≤ VOUT < 60V），能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)電壓和電流的精確控制需求。
4. 電流調(diào)節(jié)與監(jiān)測(cè)：具備輸入和輸出電流調(diào)節(jié)功能，并帶有電流監(jiān)測(cè)輸出，方便工程師實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源的工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
5. 無(wú)頂部場(chǎng)效應(yīng)管刷新：在降壓或升壓操作中無(wú)需頂部場(chǎng)效應(yīng)管刷新開(kāi)關(guān)周期，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
6. 其他特性：在關(guān)機(jī)期間，輸出與輸入斷開(kāi)；具備C/10充電終止和輸出短路標(biāo)志；每顆IC能夠處理100W或更高的功率；采用38引腳TSSOP封裝，帶有外露焊盤(pán)，便于散熱和安裝。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

LT3791-1廣泛應(yīng)用于汽車、電信、工業(yè)系統(tǒng)以及高功率電池供電系統(tǒng)等領(lǐng)域。在汽車電子中，它可以用于電池充電、車載娛樂(lè)系統(tǒng)等；在電信領(lǐng)域，可用于基站電源、通信設(shè)備等；在工業(yè)系統(tǒng)中，可用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、傳感器供電等。

三、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于正確使用和保護(hù)器件至關(guān)重要。LT3791-1的輸入電源（VIN）最大為60V，不同引腳的電壓和電流都有相應(yīng)的限制。例如，SW1、SW2引腳的電壓范圍為 -1V至60V，EN/UVLO、IVINP、IVINN、ISP、ISN引腳的最大電壓為60V等。同時(shí)，不同溫度等級(jí)的產(chǎn)品（如LT3791E - 1、LT3791I - 1、LT3791H - 1、LT3791MP - 1）具有不同的工作結(jié)溫范圍，使用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

（二）電氣參數(shù)

1. 輸入?yún)?shù)：輸入工作電壓范圍為4.7V至60V，關(guān)機(jī)時(shí)的輸入電流極低，在特定條件下，輸入工作電流（非開(kāi)關(guān)狀態(tài)）為3.0 - 4mA。
2. 邏輯輸入?yún)?shù)：EN/UVLO引腳具有精確的下降閾值（1.16 - 1.24V）和上升滯后（15mV），能夠有效控制器件的啟動(dòng)和關(guān)閉。
3. 調(diào)節(jié)參數(shù)：VREF電壓為1.96 - 2.04V，具有良好的線路調(diào)節(jié)性能；輸出電流感測(cè)閾值可通過(guò)CTRL引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)，不同的CTRL電壓對(duì)應(yīng)不同的閾值。
4. 故障參數(shù)：SS引腳具有上拉電流和放電電流，C/10和SHORT引腳具有相應(yīng)的閾值和輸出阻抗，用于監(jiān)測(cè)充電狀態(tài)和輸出短路情況。
5. 振蕩器參數(shù)：開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)RT引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)，范圍為200kHz至700kHz，也可通過(guò)SYNC引腳進(jìn)行外部同步。
6. 內(nèi)部VCC調(diào)節(jié)器參數(shù)：INTVCC調(diào)節(jié)電壓為4.8 - 5.2V，具有一定的壓差和欠壓鎖定功能，能夠?yàn)閮?nèi)部電路提供穩(wěn)定的電源。
7. PWM參數(shù)：PWM引腳具有閾值電壓和電阻，PWMOUT引腳具有上拉和下拉電阻，可用于控制開(kāi)關(guān)的通斷。
8. NMOS驅(qū)動(dòng)參數(shù)：TG1、TG2和BG1、BG2的柵極驅(qū)動(dòng)具有一定的導(dǎo)通電阻和延遲時(shí)間，確保開(kāi)關(guān)的快速切換。

四、典型性能特性

通過(guò)一系列的典型性能特性曲線，我們可以更直觀地了解LT3791-1在不同條件下的工作性能。例如，INTVCC的壓降與電流、溫度的關(guān)系曲線，VREF電壓與溫度、負(fù)載的關(guān)系曲線，V(ISP - ISN)閾值與VCTRL、VISP、溫度的關(guān)系曲線等。這些曲線能夠幫助工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的工作條件和參數(shù)，優(yōu)化電路性能。

五、引腳功能

（一）主要引腳功能

1. CTRL引腳：用于調(diào)節(jié)輸出電流感測(cè)閾值，線性范圍為200mV至1.1V，當(dāng)VCTRL > 1.3V時(shí)，電流感測(cè)閾值恒定為100mV。
2. SS引腳：軟啟動(dòng)引腳，通過(guò)逐漸增加控制器的電流限制，減少輸入電源的浪涌電流。建議在該引腳使用最小22nF的電容，并在SS和VREF之間放置一個(gè)100k的電阻。
3. PWM引腳：低電平信號(hào)可關(guān)閉開(kāi)關(guān)，使開(kāi)關(guān)空閑，并斷開(kāi)VC引腳與外部負(fù)載的連接。PWMOUT引腳跟隨PWM引腳，具有內(nèi)部90k的下拉電阻。
4. C/10引腳：C/10充電終止引腳，當(dāng)FB大于1.15V且V(ISP - ISN)小于10mV時(shí)，該引腳的開(kāi)漏下拉有效。
5. SHORT引腳：輸出短路引腳，當(dāng)FB小于400mV時(shí)，該引腳的開(kāi)漏下拉有效。
6. VREF引腳：電壓參考輸出引腳，典型值為2V，可驅(qū)動(dòng)電阻分壓器用于輸出電流調(diào)節(jié)或溫度補(bǔ)償。
7. ISMON和IVINMON引腳：分別用于監(jiān)測(cè)輸出電流和輸入電流，輸出電壓分別為V(ISP - ISN)的10倍和V(IVINP - IVINN)的20倍。
8. EN/UVLO引腳：使能控制引腳，具有精確的下降閾值和可編程的滯后，可用于控制器件的啟動(dòng)和關(guān)閉。
9. IVINP和IVINN引腳：分別為輸入電流限制和監(jiān)測(cè)的正、負(fù)輸入引腳。
10. VIN引腳：主輸入電源引腳，需要通過(guò)電容旁路到PGND。
11. INTVCC引腳：內(nèi)部5V調(diào)節(jié)器輸出引腳，為驅(qū)動(dòng)和控制電路提供電源，需要通過(guò)最小4.7μF的陶瓷電容旁路到PGND。
12. TG1、TG2、BG1、BG2引腳：分別為頂部和底部N溝道MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)引腳。
13. SW1、SW2引腳：開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳，電壓范圍從地以下一個(gè)二極管壓降到VIN或VOUT。
14. PGND和SGND引腳：分別為功率地和信號(hào)地，所有小信號(hào)組件和補(bǔ)償應(yīng)連接到SGND，并在一點(diǎn)連接到PGND。
15. PWMOUT引腳：PWM信號(hào)的緩沖版本，用于驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載斷開(kāi)N溝道MOSFET。
16. CCM引腳：連續(xù)導(dǎo)通模式引腳，可控制器件在連續(xù)導(dǎo)通模式或不連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。
17. CLKOUT引腳：時(shí)鐘輸出引腳，提供與振蕩器頻率同相的180°時(shí)鐘，可用于并聯(lián)兩個(gè)器件以擴(kuò)展輸出功率能力。
18. SYNC引腳：外部同步輸入引腳，可將內(nèi)部開(kāi)關(guān)頻率同步到外部時(shí)鐘。
19. RT引腳：頻率設(shè)置引腳，通過(guò)連接到GND的電阻設(shè)置內(nèi)部頻率。
20. VC引腳：電流控制閾值和誤差放大器補(bǔ)償點(diǎn)，電流比較器閾值隨該控制電壓增加。
21. FB引腳：電壓環(huán)路反饋引腳，用于恒壓調(diào)節(jié)，內(nèi)部跨導(dǎo)放大器將FB調(diào)節(jié)到1.2V（典型值）。
22. OVLO引腳：過(guò)壓輸入引腳，當(dāng)OVLO > 3V時(shí)，SS引腳被拉低，器件停止開(kāi)關(guān)并復(fù)位。

六、工作原理

（一）整體工作模式

LT3791-1是一種電流模式控制器，能夠提供高于、等于或低于輸入電壓的輸出電壓。它采用LTC專有拓?fù)浜涂刂萍軜?gòu)，在降壓或升壓操作中使用電流感測(cè)電阻。感測(cè)到的電感電流由VC引腳的電壓控制，VC引腳的電壓由輸出電流環(huán)路、輸入電流環(huán)路和反饋環(huán)路三個(gè)輸入控制，哪個(gè)反饋輸入更高則優(yōu)先起作用，使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入恒流或恒壓模式。

（二）不同工作區(qū)域

1. 降壓區(qū)域（VIN > VOUT）：開(kāi)關(guān)M4始終導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)M3始終關(guān)斷。在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，同步開(kāi)關(guān)M2首先導(dǎo)通，感測(cè)電感電流。當(dāng)感測(cè)到的電感電流低于與VC成比例的參考電壓時(shí)，同步開(kāi)關(guān)M2關(guān)斷，開(kāi)關(guān)M1導(dǎo)通至周期結(jié)束。開(kāi)關(guān)M1和M2交替工作，類似于典型的同步降壓調(diào)節(jié)器。
2. 降壓 - 升壓區(qū)域（VIN ≈ VOUT）：當(dāng)VIN接近VOUT時(shí)，控制器進(jìn)入降壓 - 升壓操作。每個(gè)周期，控制器先導(dǎo)通開(kāi)關(guān)M2和M4，然后導(dǎo)通M1和M4，180°后導(dǎo)通M1和M3，最后導(dǎo)通M1和M4至周期結(jié)束。
3. 升壓區(qū)域（VIN < VOUT）：開(kāi)關(guān)M1始終導(dǎo)通，同步開(kāi)關(guān)M2始終關(guān)斷。每個(gè)周期開(kāi)關(guān)M3首先導(dǎo)通，感測(cè)電感電流。當(dāng)感測(cè)到的電感電流超過(guò)與VC成比例的參考電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)M3關(guān)斷，同步開(kāi)關(guān)M4導(dǎo)通至周期結(jié)束。開(kāi)關(guān)M3和M4交替工作，類似于典型的同步升壓調(diào)節(jié)器。

（三）低電流操作

在重載時(shí)，建議將CCM引腳拉高至1.5V以上，使LT3791-1運(yùn)行在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。在這種模式下，控制器作為連續(xù)的PWM電流模式同步開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器工作，輸出可以源出或吸收電流。對(duì)于不希望電感電流反向的應(yīng)用，可將CCM引腳通過(guò)上拉電阻連接到INTVCC和C/10引腳，當(dāng)輸出電流較低時(shí)，C/10引腳將CCM引腳拉低至0.3V以下，進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式。

七、應(yīng)用信息

（一）外部組件選擇

1. 開(kāi)關(guān)頻率編程：通過(guò)RT引腳可以將開(kāi)關(guān)頻率編程為200kHz至700kHz，較高的頻率可減小外部組件尺寸，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗和柵極驅(qū)動(dòng)電流；較低的頻率可提高性能，但會(huì)增大外部組件尺寸。
2. 電感選擇：電感值與工作頻率相關(guān)，較高的工作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，應(yīng)根據(jù)公式計(jì)算合適的電感值，并選擇低磁芯損耗、低直流電阻、能承受峰值電感電流且不飽和度的電感，同時(shí)建議使用屏蔽電感以減少輻射噪聲。
3. RSENSE選擇：RSENSE根據(jù)所需的輸出電流選擇，在升壓和降壓操作中分別決定最大平均負(fù)載電流和最大電流感測(cè)值。最終的RSENSE值應(yīng)低于計(jì)算得到的最大值，并保留20% - 30%的余量。
4. CIN和Cout選擇：在降壓操作中，CIN用于過(guò)濾輸入方波電流，應(yīng)選擇低ESR電容以處理最大RMS電流；在升壓操作中，Cout用于減少輸出電壓紋波，需要考慮ESR和大容量電容的影響。對(duì)于高功率應(yīng)用，可能需要多個(gè)電容并聯(lián)以滿足ESR和RMS電流處理要求。
5. VIN UVLO和OVLO編程：通過(guò)電阻分壓器可以準(zhǔn)確設(shè)置VIN的欠壓鎖定（UVLO）和過(guò)壓鎖定（OVLO）值。
6. 輸出電流編程：通過(guò)在輸出負(fù)載中串聯(lián)合適的電流感測(cè)電阻ROUT，并將CTRL引腳連接到高于1.2V的電壓，可以實(shí)現(xiàn)輸出電流的編程。CTRL引腳也可用于調(diào)節(jié)輸出電流，但相對(duì)精度會(huì)隨著感測(cè)閾值的降低而降低。
7. 輸入電流限制編程：LT3791-1具有獨(dú)立的電流感測(cè)放大器，可用于限制輸入電流，通過(guò)選擇合適的RIN電阻和低通RC濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
8. 輸出電壓編程：對(duì)于電壓調(diào)節(jié)器，可通過(guò)選擇合適的電阻R5和R6來(lái)設(shè)置輸出電壓。
9. 調(diào)光控制：可以使用CTRL引腳調(diào)節(jié)輸出電流，也可以使用PWM引腳調(diào)制電流源實(shí)現(xiàn)調(diào)光。為了提高PWM調(diào)光的準(zhǔn)確性，可以在PWM低電平時(shí)將開(kāi)關(guān)需求電流存儲(chǔ)在VC節(jié)點(diǎn)，并在輸出電流路徑中使用斷開(kāi)開(kāi)關(guān)防止ISP節(jié)點(diǎn)放電。
10. SHORT和C/10引腳：SHORT引腳在FB引腳低于400mV時(shí)拉低，可用于檢測(cè)輸出短路；C/10引腳在FB引腳高于1.15V且V(ISP - ISN)小于10mV時(shí)拉低，可用于電壓調(diào)節(jié)器的電源良好標(biāo)志或電池充電器的C/10充電終止標(biāo)志。
11. 軟啟動(dòng)：軟啟動(dòng)通過(guò)逐漸增加控制器的電流限制來(lái)減少輸入電源的浪涌電流，軟啟動(dòng)間隔由軟啟動(dòng)電容的選擇決定。
12. 環(huán)路補(bǔ)償：LT3791-1使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器，其VC輸出用于補(bǔ)償控制環(huán)路。外部電感、輸出電容以及補(bǔ)償電阻和電容決定了環(huán)路的穩(wěn)定性，對(duì)于典型應(yīng)用，在VC引腳使用10nF的補(bǔ)償電容和串聯(lián)電阻可以優(yōu)化控制環(huán)路響應(yīng)和穩(wěn)定性。

（二）功率MOSFET選擇和效率考慮

1. MOSFET參數(shù)：LT3791-1需要四個(gè)外部N溝道功率MOSFET，重要參數(shù)包括擊穿電壓、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、反向傳輸電容和最大電流等。由于驅(qū)動(dòng)電壓由5V INTVCC電源設(shè)置，因此應(yīng)使用邏輯電平閾值MOSFET，當(dāng)輸入電壓可能低于5V時(shí)，應(yīng)考慮亞邏輯閾值MOSFET。
2. 功率損耗計(jì)算：不同開(kāi)關(guān)在不同工作模式下的功率損耗不同，需要根據(jù)公式計(jì)算每個(gè)開(kāi)關(guān)的最大功率損耗，并根據(jù)功率損耗計(jì)算結(jié)溫，確保結(jié)溫不超過(guò)允許值。
3. 效率分析：開(kāi)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%。LT3791-1電路中的主要損耗源包括DC I2R損耗、過(guò)渡損耗、INTVCC電流、CIN和Cout損耗以及其他損耗。在調(diào)整效率時(shí)，輸入電流是效率變化的最佳指標(biāo)。

（三）PCB布局檢查清單

合理的PCB布局對(duì)于LT3791-1的性能至關(guān)重要?；镜腜CB布局需要專用的接地平面層，多層板可為功率組件提供散熱。PGND接地平面層應(yīng)盡量靠近功率MOSFET層，且不應(yīng)有任何走線。應(yīng)將CIN、開(kāi)關(guān)M1、開(kāi)關(guān)M2和D1放置在一個(gè)緊湊的區(qū)域，將Cout、開(kāi)關(guān)M3、開(kāi)關(guān)M4和D2放置在另一個(gè)緊湊的區(qū)域。使用直接過(guò)孔將組件連接到接地平面，為每個(gè)功率組件使用多個(gè)大過(guò)孔。使用平面來(lái)保持VIN和VOUT的良好電壓濾波，并降低功率損耗。將所有未使用的區(qū)域用銅填充，以減少功率組件的溫度上升，并將銅區(qū)域連接到任何直流網(wǎng)絡(luò)。分離信號(hào)和功率接地，所有小信號(hào)組件應(yīng)在一點(diǎn)連接到SGND，然后再連接到PGND。將開(kāi)關(guān)M2和開(kāi)關(guān)M3放置在靠近控制器的位置，保持PGND、BG和SW走線短。避免高dV/dT節(jié)點(diǎn)靠近敏感的小信號(hào)節(jié)點(diǎn)。確保SNSN和SNSP引線一起布線，避免感測(cè)線穿過(guò)嘈雜區(qū)域，并使用Kelvin連接確保準(zhǔn)確的電流感測(cè)。將VC引腳補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)靠近IC連接，將INTVCC旁路電容靠近IC連接。

八、典型應(yīng)用

（一）98%高效60W（12V 5A）電壓調(diào)節(jié)器

該應(yīng)用電路能夠在3V至55V的輸入電壓下工作，實(shí)現(xiàn)98%的高效轉(zhuǎn)換。通過(guò)合理選擇外部組件，如電感、電容、MOSFET等，確保了電路的穩(wěn)定運(yùn)行和高性能。

（二）2.5A降壓 - 升壓36V SLA電池充電器

該應(yīng)用電路可用于對(duì)36V SLA電池進(jìn)行充電，輸入電壓范圍為9V至58V。通過(guò)精確控制充電電流和電壓，確保電池的安全和高效充電。

九、總結(jié)

LT3791-1是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的同步4開(kāi)關(guān)降壓 - 升壓控制器，具有寬輸入電壓范圍、高轉(zhuǎn)換效率、精確的電流和電壓調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇外部組件，優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮其性能。同時(shí)，通過(guò)對(duì)其工作原理和應(yīng)用信息的深入了解，能夠更好地解決實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。你在使用LT3791-1的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。