LTC3869/LTC3869 - 2：高性能雙同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器控制器的深度剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理模塊的性能優(yōu)劣往往直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與效率。今天，我們就來(lái)深入探討 Linear Technology 公司推出的 LTC3869/LTC3869 - 2 雙同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，看看它究竟有哪些獨(dú)特之處。

文件下載：LTC3869.pdf

1. 產(chǎn)品概述

LTC3869 是一款高性能的雙同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，能夠驅(qū)動(dòng)全 N 溝道同步功率 MOSFET 級(jí)。它采用恒定頻率電流模式架構(gòu)，具備高達(dá) 780kHz 的鎖相頻率，兩個(gè)控制器輸出級(jí)異相工作，有效降低了輸入電容的 ESR 帶來(lái)的功率損耗和噪聲。OPTI - LOOP? 補(bǔ)償技術(shù)可在寬范圍的輸出電容和 ESR 值下優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。其輸入電源范圍為 4V 至 38V，能涵蓋大多數(shù)電池化學(xué)類型。LTC3869 有低輪廓 4mm × 4mm 和 4mm × 5mm QFN 封裝，LTC3869 - 2 則采用 SSOP - 28 封裝，且 LTC3869 與 LTC3850 引腳兼容。

2. 關(guān)鍵特性

2.1 雙控制器優(yōu)勢(shì)

雙 180° 異相控制器設(shè)計(jì)，顯著降低了所需的輸入電容和電源感應(yīng)噪聲，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了精確的多相電流匹配。可選擇 RSENSE 或 DCR 電流感應(yīng)方式，輸出電壓精度高達(dá) ±0.75%（0.6V 輸出時(shí)）。

2.2 頻率與效率

鎖相固定頻率范圍為 250kHz 至 780kHz，最高效率可達(dá) 95%，采用雙 N 溝道 MOSFET 同步驅(qū)動(dòng)，能在寬輸入電壓范圍（4V 至 38V，最大 40V）和寬輸出電壓范圍（0.6V 至 12.5V）下穩(wěn)定工作。

2.3 保護(hù)與監(jiān)控功能

具備可調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)電流斜坡或跟蹤功能、折返式輸出電流限制、輸出過(guò)壓保護(hù)以及電源良好輸出電壓監(jiān)控功能。還集成了 5V 低壓差穩(wěn)壓器，采用小型 28 引腳 QFN 和窄 SSOP 封裝，節(jié)省電路板空間。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

LTC3869/LTC3869 - 2 適用于多種領(lǐng)域，如服務(wù)器系統(tǒng)、電信系統(tǒng)、工業(yè)和醫(yī)療儀器、高功率電池供電設(shè)備以及直流電源分配系統(tǒng)等。

4. 工作原理

4.1 主控制環(huán)路

LTC3869 是恒定頻率、電流模式降壓控制器，兩個(gè)通道以 180 度異相工作。正常工作時(shí)，每個(gè)頂部 MOSFET 在該通道的時(shí)鐘設(shè)置 RS 鎖存器時(shí)開啟，當(dāng)主電流比較器 ICMP 重置 RS 鎖存器時(shí)關(guān)閉。ICMP 重置 RS 鎖存器的峰值電感電流由 ITH 引腳電壓控制，VFB 引腳接收電壓反饋信號(hào)，與內(nèi)部參考電壓比較后調(diào)整 ITH 電壓，使平均電感電流匹配新的負(fù)載電流。頂部 MOSFET 關(guān)閉后，底部 MOSFET 開啟，直到電感電流開始反向或下一個(gè)周期開始。

4.2 電源供應(yīng)

頂部和底部 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器及大多數(shù)內(nèi)部電路的電源來(lái)自 INTVCC 引腳。當(dāng) EXTVCC 引腳懸空或電壓低于 4.7V 時(shí)，內(nèi)部 5V 線性穩(wěn)壓器從 VIN 提供 INTVCC 電源；當(dāng) EXTVCC 高于 4.7V 時(shí)，5V 穩(wěn)壓器關(guān)閉，內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通連接 EXTVCC，可從高效外部電源獲取 INTVCC 電源。

4.3 關(guān)機(jī)與啟動(dòng)

兩個(gè)通道可通過(guò) RUN1 和 RUN2 引腳獨(dú)立關(guān)機(jī)，將引腳拉低至 1.2V 以下可關(guān)閉相應(yīng)通道的主控制回路。啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓由 TK/SS1 和 TK/SS2 引腳控制，通過(guò)連接外部電容到 SGND 可設(shè)置軟啟動(dòng)周期，內(nèi)部 1.2μA 上拉電流對(duì)電容充電，使輸出電壓平滑上升。

4.4 輕載電流操作

LTC3869 可選擇進(jìn)入高效突發(fā)模式、恒頻脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。突發(fā)模式下，電感峰值電流約為最大感應(yīng)電壓的三分之一；強(qiáng)制連續(xù)模式下，電感電流在輕載或大瞬態(tài)條件下允許反向；脈沖跳躍模式在輕載時(shí)，電流比較器可能跳過(guò)幾個(gè)周期，電感電流不允許反向。

4.5 單輸出多相操作

通過(guò)將所有 ITH 引腳、VFB 引腳、TK/SS 引腳和 RUN 引腳連接在一起，LTC3869 可用于單輸出多相轉(zhuǎn)換器，且通道間具有出色的電流匹配性能，確保各通道熱應(yīng)力均衡。

4.6 頻率選擇與鎖相環(huán)

開關(guān)頻率的選擇需在效率和元件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。LTC3869 可通過(guò) FREQ 引腳選擇開關(guān)頻率，有 10μA 精確電流流出該引腳，用戶可通過(guò)連接電阻到 SGND 編程開關(guān)頻率。集成的鎖相環(huán)可將內(nèi)部振蕩器與連接到 MODE/PLLIN 引腳的外部時(shí)鐘源同步，鎖相范圍為 250kHz 至 780kHz。

4.7 電源良好指示

當(dāng) VFB 引腳電壓不在 0.6V 參考電壓的 ±10% 范圍內(nèi)，或 RUN 引腳低于 1.2V，或處于軟啟動(dòng)或跟蹤階段時(shí)，PGOOD 引腳被拉低。內(nèi)部有 20μs 電源不良屏蔽時(shí)間，VFB 恢復(fù)到參考窗口內(nèi)時(shí)，PGOOD 引腳立即指示電源良好。

4.8 輸出過(guò)壓保護(hù)

過(guò)壓比較器 OV 可防止輸出過(guò)沖（>10%）及其他過(guò)壓情況，出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，頂部 MOSFET 關(guān)閉，底部 MOSFET 開啟，直至過(guò)壓情況消除。

5. 應(yīng)用信息

5.1 電流限制編程

ILIM 引腳是三電平邏輯輸入，可設(shè)置控制器的最大電流限制。接地、浮空或連接到 INTVCC 時(shí)，最大電流感應(yīng)閾值典型值分別為 30mV、50mV 或 75mV。75mV 設(shè)置電流限制精度最高，30mV 設(shè)置可使用低 DCR 電感或感測(cè)電阻但精度較低，50mV 設(shè)置是兩者的良好平衡。單輸出雙相應(yīng)用中，建議使用 50mV 或 75mV 設(shè)置以實(shí)現(xiàn)最佳電流共享。

5.2 電流感測(cè)

• 低阻值電阻電流感測(cè)：通過(guò)離散電阻感測(cè)電流，根據(jù)所需輸出電流選擇 RSENSE 電阻，計(jì)算公式為 (R{SENSE }=frac{V{SENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I{L}}{2}})，同時(shí)需考慮 PCB 噪聲對(duì) AC 電流感測(cè)紋波的影響，建議 ?VSENSE 電壓為 10mV。
• 電感 DCR 感測(cè)：適用于高負(fù)載電流下追求最高效率的應(yīng)用。需選擇合適的外部 R1||R2 ? C1 時(shí)間常數(shù)，使其等于 L/DCR 時(shí)間常數(shù)，根據(jù)公式計(jì)算目標(biāo)感測(cè)電阻值、DCR 值及相關(guān)電阻值，同時(shí)要考慮電感溫度對(duì) DCR 的影響。

5.3 電感選擇

根據(jù)輸入和輸出電壓、電感值和工作頻率確定電感的峰 - 峰紋波電流，公式為 (RIPPLE =frac{V{OUT }}{V{IN }}left(frac{V{IN }-V{OUT }}{f{O S C} cdot L}right))。為保證紋波電流不超過(guò)指定最大值，電感應(yīng)滿足 (L geq frac{V{IN }-V{OUT }}{f{OSC } cdot I{RIPPLE }} cdot frac{V{OUT }}{V{IN }})。對(duì)于占空比大于 40% 的情況，需使用 (L{MIN }>frac{V{OUT }}{f{SW } cdot I_{LOAD(MAX) }} cdot 1.4) 確定最小電感值。

5.4 功率 MOSFET 和肖特基二極管選擇

每個(gè)控制器需選擇兩個(gè)外部功率 MOSFET，頂部和底部均為 N 溝道 MOSFET。根據(jù)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選擇 MOSFET?？蛇x肖特基二極管可防止底部 MOSFET 體二極管導(dǎo)通，提高效率。

5.5 軟啟動(dòng)和跟蹤

LTC3869 可通過(guò)連接電容到 TK/SS 引腳實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算公式為 (t{SOFTSTART }=0.6 cdot frac{C{SS}}{1.2 mu A})。也可通過(guò)電阻分壓器將其他電源的反饋電壓應(yīng)用到 TK/SS 引腳實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。

5.6 輸出電壓跟蹤

通過(guò) TK/SS 引腳可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的重合跟蹤或比例跟蹤。重合跟蹤需將額外的電阻分壓器連接到主通道輸出，并將中點(diǎn)連接到從通道的 TK/SS 引腳；比例跟蹤需使從通道的電壓分壓器比例與主通道反饋分壓器比例相同。重合跟蹤輸出調(diào)節(jié)性能更好，比例跟蹤可節(jié)省一對(duì)電阻。

5.7 INTVCC 調(diào)節(jié)器和 EXTVCC

LTC3869 內(nèi)部有 5V 線性穩(wěn)壓器為 INTVCC 供電，當(dāng) EXTVCC 高于 4.7V 時(shí)，可通過(guò) P 溝道 MOSFET 連接 EXTVCC 為 INTVCC 供電。使用 EXTVCC 可提高效率，降低結(jié)溫，但需注意不要超過(guò) 6V，且 (EXTV{CC}{IN})。

最小導(dǎo)通時(shí)間 (t{ON(MIN)}) 約為 90ns，低占空比應(yīng)用需確保 (t{ON(MIN)}{OUT}}{V{IN}(f)})，否則控制器會(huì)開始跳周期，導(dǎo)致輸出紋波和電流增加。

5.15 效率考慮

開關(guān)穩(wěn)壓器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以 100%，LTC3869 電路的主要損耗源包括 IC (V{IN}) 電流、(INTV{CC}) 穩(wěn)壓器電流、(I^{2}R) 損耗和頂部 MOSFET 過(guò)渡損耗?？赏ㄟ^(guò)使用 EXTVCC 從輸出派生電源為 INTVCC 供電，降低 (V_{IN}) 電流，提高效率。

5.16 瞬態(tài)響應(yīng)檢查

通過(guò)觀察負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)，負(fù)載階躍時(shí)，(V{OUT}) 會(huì)發(fā)生變化，通過(guò) (I{TH}) 引腳可優(yōu)化控制環(huán)路行為，估計(jì)相位裕度、阻尼因子和帶寬。對(duì)于負(fù)載中帶有大旁路電容的情況，需控制開關(guān)上升時(shí)間，防止輸出電壓突然下降。

5.17 PCB 布局檢查

PCB 布局時(shí)需注意：頂部 N 溝道 MOSFET 應(yīng)靠近放置，信號(hào)和功率地分開，(V{FB}) 和 (I{TH}) 走線應(yīng)盡量短，SENSE + 和 SENSE - 引腳應(yīng)一起布線，INTVCC 去耦電容應(yīng)靠近 IC，開關(guān)節(jié)點(diǎn)、頂部柵極節(jié)點(diǎn)和升壓節(jié)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)，采用改良的“星形接地”技術(shù)。

6. 設(shè)計(jì)示例

以一個(gè)兩通道高電流調(diào)節(jié)器為例，假設(shè) (V{IN }=12 ~V)（標(biāo)稱），(V{IN}=20 ~V)（最大），(V{OUT1 }=1.8 ~V)，(V{OUT2 }=1.2 ~V)，(I_{MAX 1,2}=15 ~A)，(f = 400 kHz)。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算輸出電壓、電感值、等效感測(cè)電阻值等參數(shù)，選擇合適的元件，如電感、MOSFET、電容等，并進(jìn)行功率損耗和效率分析。

7. 典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如 2.5V、15A 和 1.8V、15A 電源、1.8V、15A 和 1.2V、15A 電源、1.2V、40A 電源等，詳細(xì)介紹了電路的元件選擇和參數(shù)設(shè)置。

8. 相關(guān)部件

文檔還列出了一些相關(guān)部件，如 LTM4630/LTM4630A、LTC3887/LTC3887 - 1、LTC3774 等，可根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

總之，LTC3869/LTC3869 - 2 是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的雙同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，在多種應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮出色的性能。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需根據(jù)具體需求仔細(xì)選擇元件、優(yōu)化布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。大家在使用過(guò)程中遇到任何問(wèn)題，歡迎一起交流探討。