深入剖析LTC3787：高性能多相同步升壓控制器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，選擇一款合適的升壓控制器至關(guān)重要。今天，我們就來詳細(xì)探討一下凌力爾特（現(xiàn)ADI）的LTC3787多相同步升壓控制器，看看它有哪些出色的特性和應(yīng)用。

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一、LTC3787概述

LTC3787是一款高性能的多相單輸出同步升壓轉(zhuǎn)換器控制器，能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)N溝道功率MOSFET階段異相工作。多相操作的設(shè)計(jì)大大降低了對(duì)輸入和輸出電容的要求，并且允許使用比單相等效電路更小的電感。同時(shí)，同步整流技術(shù)提高了效率，降低了功率損耗，減輕了散熱需求，為高功率升壓應(yīng)用提供了有力支持。

二、關(guān)鍵特性解讀

2.1 多相與同步優(yōu)勢(shì)

• 多相操作：采用2相操作，有效減少了所需的輸入和輸出電容，降低了電源引起的噪聲。這對(duì)于對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如工業(yè)、汽車、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域，具有重要意義。
• 同步操作：同步整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效率和低散熱，提高了系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

2.2 寬輸入輸出范圍

• 輸入范圍：具有4.5V至38V（絕對(duì)最大40V）的寬輸入電壓范圍，啟動(dòng)后可低至2.5V工作，適用于各種不同的電源系統(tǒng)和電池化學(xué)類型。
• 輸出范圍：輸出電壓最高可達(dá)60V，能夠滿足多種高電壓需求的應(yīng)用。

2.3 高精度與靈活控制

• 高精度參考電壓：±1%的1.200V參考電壓，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
• 靈活的電流檢測(cè)：支持RSENSE或電感DCR電流檢測(cè)，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的檢測(cè)方式。

2.4 其他特性

• 低靜態(tài)電流：靜態(tài)電流僅為135μA，關(guān)機(jī)電流 (I_{Q}<8 μA)，降低了系統(tǒng)的功耗。
• 鎖相和可編程頻率：相位可鎖定頻率范圍為75kHz至850kHz，可編程固定頻率范圍為50kHz至900kHz，提供了靈活的頻率選擇。
• 電源良好輸出監(jiān)測(cè)：具備電源良好輸出電壓監(jiān)測(cè)功能，方便工程師實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
• 多種封裝形式：采用熱增強(qiáng)型低輪廓28引腳4mm × 5mm QFN封裝和窄SSOP封裝，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景和布局要求。
• 汽車級(jí)認(rèn)證：通過AEC - Q100認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用。

三、工作原理分析

3.1 主控制環(huán)路

LTC3787采用恒定頻率、電流模式升壓架構(gòu)，兩個(gè)控制通道異相工作。在正常工作時(shí)，外部底部MOSFET在時(shí)鐘信號(hào)置位RS鎖存器時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)主電流比較器ICMP復(fù)位RS鎖存器時(shí)關(guān)斷。ICMP觸發(fā)并復(fù)位鎖存器的峰值電感電流由ITH引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA的輸出。誤差放大器將VFB引腳的輸出電壓反饋信號(hào)（通過外部電阻分壓器產(chǎn)生）與內(nèi)部1.200V參考電壓進(jìn)行比較，根據(jù)負(fù)載電流的變化調(diào)整ITH電壓，從而使每個(gè)通道的平均電感電流滿足新的負(fù)載要求。

3.2 電源供應(yīng)

(INTV{CC})引腳為頂部和底部MOSFET驅(qū)動(dòng)器以及大多數(shù)其他內(nèi)部電路提供電源。當(dāng)(EXTV{CC})引腳電壓低于4.8V時(shí)，VBIAS LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）從VBIAS向(INTV{CC})提供5.4V電壓；當(dāng)(EXTV{CC})引腳電壓高于4.8V時(shí)，VBIAS LDO關(guān)閉，(EXTV{CC}) LDO開啟，從(EXTV{CC})向(INTV_{CC})提供5.4V電壓。這種設(shè)計(jì)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的電源輸入，降低功耗。

3.3 關(guān)機(jī)與啟動(dòng)

• 關(guān)機(jī)：將RUN引腳電壓拉低至1.28V以下，可關(guān)閉兩個(gè)相位的主控制環(huán)路；將RUN引腳電壓拉低至0.7V以下，可禁用兩個(gè)控制器和大多數(shù)內(nèi)部電路，包括(INTV_{CC}) LDO，此時(shí)LTC3787的靜態(tài)電流僅為8μA。
• 啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)時(shí)，SS引腳的電壓控制輸出電壓(V_{OUT})的上升。當(dāng)SS引腳電壓低于1.2V內(nèi)部參考電壓時(shí)，LTC3787將VFB引腳電壓調(diào)節(jié)到SS引腳電壓，而不是1.2V參考電壓。通過在SS引腳連接外部電容到SGND，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，使輸出電壓平滑上升到最終值。

3.4 輕載操作模式

LTC3787在輕載電流下支持三種操作模式：

• Burst Mode（突發(fā)模式）：將PLLIN/MODE引腳接地，可選擇突發(fā)模式。在該模式下，電感的最小峰值電流設(shè)置為最大檢測(cè)電壓的約30%。當(dāng)平均電感電流高于所需電流時(shí)，誤差放大器EA會(huì)降低ITH引腳的電壓。當(dāng)ITH電壓降至0.425V以下時(shí)，內(nèi)部睡眠信號(hào)置高，兩個(gè)外部MOSFET關(guān)閉，此時(shí)大部分內(nèi)部電路關(guān)閉，LTC3787的靜態(tài)電流僅為135μA。當(dāng)輸出電壓下降到一定程度時(shí)，睡眠信號(hào)置低，控制器恢復(fù)正常工作。
• Pulse - Skipping Mode（脈沖跳過模式）：將PLLIN/MODE引腳連接到大于1.2V且小于(INTV_{CC}-1.3V)的直流電壓，可選擇脈沖跳過模式。在該模式下，恒頻操作可維持到設(shè)計(jì)最大輸出電流的約1%。在非常輕的負(fù)載下，電流比較器ICMP可能會(huì)在幾個(gè)周期內(nèi)保持觸發(fā)狀態(tài)，迫使外部底部MOSFET在相同的周期內(nèi)保持關(guān)閉（即跳過脈沖）。該模式具有較低的輸出紋波和音頻噪聲，以及比強(qiáng)制連續(xù)模式更高的低電流效率，但不如突發(fā)模式。
• Forced Continuous Conduction Mode（強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式）：將PLLIN/MODE引腳連接到(INTV_{CC})，可選擇強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。在該模式下，輕載或大瞬態(tài)條件下電感電流允許反向，峰值電感電流由ITH引腳的電壓決定。該模式的輕載效率低于突發(fā)模式，但具有較低的輸出電壓紋波和對(duì)音頻電路的干擾較小的優(yōu)點(diǎn)。

3.5 頻率選擇與鎖相環(huán)

• 頻率選擇：LTC3787的開關(guān)頻率可以通過FREQ引腳進(jìn)行選擇。當(dāng)PLLIN/MODE引腳未由外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)時(shí)，將FREQ引腳接地可選擇350kHz的頻率，將FREQ引腳連接到(INTV_{CC})可選擇535kHz的頻率，也可以通過在FREQ引腳和地之間連接電阻來編程50kHz至900kHz的頻率。
• 鎖相環(huán)：LTC3787具有內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL），可以將內(nèi)部振蕩器與連接到PLLIN/MODE引腳的外部時(shí)鐘源同步。鎖相環(huán)的典型捕獲范圍約為55kHz至1MHz，保證鎖定頻率范圍為75kHz至850kHz。通過使用FREQ引腳設(shè)置接近所需同步頻率的自由運(yùn)行頻率，可以實(shí)現(xiàn)快速鎖相。

3.6 多相應(yīng)用

LTC3787的CLKOUT和PHASMD引腳允許在多相應(yīng)用中與其他控制器IC進(jìn)行級(jí)聯(lián)。CLKOUT引腳的時(shí)鐘輸出信號(hào)可用于同步多相電源解決方案中的額外功率級(jí)，為單個(gè)高電流輸出或多個(gè)獨(dú)立輸出供電。PHASMD引腳用于調(diào)整CLKOUT信號(hào)的相位以及兩個(gè)內(nèi)部控制器之間的相對(duì)相位，可配置為2、3、4、6和12相操作。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 電流檢測(cè)方案選擇

LTC3787可以使用電感DCR（直流電阻）檢測(cè)或離散檢測(cè)電阻（RSENSE）進(jìn)行電流檢測(cè)。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行權(quán)衡：

• RSENSE檢測(cè)：使用離散電阻進(jìn)行檢測(cè)，電流比較器的最大閾值可以通過ILIM引腳設(shè)置為50mV、75mV或100mV。根據(jù)所需輸出電流選擇合適的RSENSE電阻值，計(jì)算公式為 (R{SENSE }=frac{V{SENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I{L}}{2}})，其中 (I{MAX }=left(frac{I{OUT(MAX) }}{2}right) cdotleft(frac{V{OUT }}{V{IN}}right))。
• 電感DCR檢測(cè)：對(duì)于高負(fù)載電流下需要最高效率的應(yīng)用，LTC3787能夠檢測(cè)電感DCR上的電壓降。通過選擇合適的外部R1||R2 ? C1時(shí)間常數(shù)，使其等于L/DCR時(shí)間常數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流檢測(cè)。該方案可以減少傳導(dǎo)損耗，提高效率，但需要準(zhǔn)確測(cè)量電感的DCR，并考慮其溫度系數(shù)。

4.2 電感值計(jì)算

電感值的選擇與工作頻率密切相關(guān)，較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加MOSFET的開關(guān)損耗，降低效率。電感紋波電流 (Delta I{L}=frac{V{I N}}{f cdot L}left(1-frac{V{I N}}{V{OUT }}right))，通常建議將紋波電流設(shè)置為 (Delta I{L}=0.3(I{MAX}))。在選擇電感時(shí)，應(yīng)選擇具有低DCR和低磁芯損耗的電感。

4.3 功率MOSFET選擇

每個(gè)控制器需要選擇兩個(gè)外部功率MOSFET，一個(gè)用于底部（主）開關(guān)，一個(gè)用于頂部（同步）開關(guān)。選擇時(shí)需要考慮的參數(shù)包括導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)})、米勒電容 (C{MILLER})、輸入電壓和最大輸出電流。在連續(xù)模式下，頂部和底部MOSFET的占空比分別為 (Main Switch Duty Cycle =frac{V{OUT }-V{I N}}{V{OUT }}) 和 (Synchronous Switch Duty Cycle =frac{V{I N}}{V_{OUT }})。根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算MOSFET的功率耗散，選擇合適的MOSFET。

4.4 (C{IN}) 和 (C{OUT}) 選擇

• (C_{IN})選擇：升壓轉(zhuǎn)換器的輸入紋波電流相對(duì)較低，輸入電容器 (C_{IN}) 的電壓額定值應(yīng)超過最大輸入電壓。其值取決于源阻抗和占空比，高輸出電流和高占空比的應(yīng)用對(duì)輸入電源的要求較高。
• (C_{OUT})選擇：輸出電流是不連續(xù)的，因此 (C_{OUT}) 必須能夠降低輸出電壓紋波。選擇時(shí)需要考慮ESR（等效串聯(lián)電阻）和體電容的影響。在2相操作中，兩個(gè)通道異相工作，有效交錯(cuò)輸出電容電流脈沖，大大降低了輸出電容紋波電流，因此可以放寬對(duì)電容ESR的要求。

4.5 輸出電壓設(shè)置

LTC3787的輸出電壓通過外部反饋電阻分壓器設(shè)置，計(jì)算公式為 (V{OUT }=1.2 Vleft(1+frac{R{B}}{R_{A}}right))。在布線時(shí)，應(yīng)注意將VFB線遠(yuǎn)離噪聲源，如電感或SW線，并盡量減小VFB節(jié)點(diǎn)的尺寸，以避免噪聲拾取。

4.6 軟啟動(dòng)設(shè)置

通過在SS引腳連接電容到地，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。內(nèi)部10μA電流源對(duì)電容充電，使SS引腳電壓線性上升，LTC3787根據(jù)SS引腳電壓調(diào)節(jié)VFB引腳（從而調(diào)節(jié)(V{OUT})），使輸出電壓從(V{IN})平滑上升到最終調(diào)節(jié)值?？傑泦?dòng)時(shí)間約為 (t{S S}=C{S S} cdot frac{1.2 V}{10 mu A})。

4.7 (INTV_{CC}) 調(diào)節(jié)器

LTC3787具有兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)部P溝道低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），根據(jù)(EXTV{CC})引腳的連接情況，從VBIAS或(EXTV{CC})引腳為(INTV{CC})引腳提供5.4V電源。在高輸入電壓應(yīng)用中，使用外部電源為(INTV{CC})供電可以顯著降低結(jié)溫。

4.8 頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器電源

外部自舉電容 (C{B}) 連接到BOOST引腳，為頂部MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。電容 (C{B}) 在SW引腳為低電平時(shí)通過外部二極管 (D{B}) 從(INTV{CC})充電。每個(gè)頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)內(nèi)部電荷泵，在降壓/過壓條件下為自舉電容提供電流，以保持頂部MOSFET持續(xù)導(dǎo)通。

4.9 故障保護(hù)

LTC3787具有過溫保護(hù)功能，當(dāng)結(jié)溫超過約170°C時(shí)，過溫保護(hù)電路將關(guān)閉(INTV{CC}) LDO，導(dǎo)致(INTV{CC})電源崩潰，從而關(guān)閉整個(gè)芯片。當(dāng)結(jié)溫降至約155°C時(shí)，(INTV_{CC}) LDO重新開啟。

4.10 PCB布局要點(diǎn)

• 元件布局：將底部N溝道MOSFET和頂部N溝道MOSFET與(C_{OUT})放置在一個(gè)緊湊的區(qū)域。
• 接地處理：信號(hào)地和功率地應(yīng)分開，IC信號(hào)接地引腳和(C{INTVCC})的接地返回端應(yīng)連接到(C{OUT})的負(fù)極端子。底部N溝道MOSFET和電容形成的路徑應(yīng)具有短的引線和PCB走線長度。
• 反饋連接：VFB引腳的電阻分壓器應(yīng)連接到(C_{OUT})的正極端子，并靠近VFB引腳放置。
• 電流檢測(cè)：(SENSE)和(SENSE^{+})引線應(yīng)一起布線，最小化PCB走線間距，濾波電容應(yīng)靠近IC放置。
• 去耦電容：(INTV{CC})去耦電容應(yīng)靠近IC連接在(INTV{CC})和功率接地引腳之間。
• 信號(hào)隔離：開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW1，SW2）、頂部柵極節(jié)點(diǎn)（TG1，TG2）和升壓節(jié)點(diǎn)（BOOST1，BOOST2）應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的小信號(hào)節(jié)點(diǎn)。
• 接地技術(shù)：使用改進(jìn)的“星形接地”技術(shù)，在PCB板上設(shè)置一個(gè)低阻抗、大銅面積的中央接地點(diǎn)。

五、典型應(yīng)用案例

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如2相24V、28V、36V、48V升壓轉(zhuǎn)換器，以及4相單輸出升壓轉(zhuǎn)換器等。這些電路展示了LTC3787在不同輸出電壓和電流要求下的應(yīng)用，為工程師提供了參考。

六、總結(jié)與思考

LTC3787作為一款高性能的多相同步升壓控制器，具有多種出色的特性和靈活的應(yīng)用方式。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，綜合考慮各個(gè)參數(shù)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，選擇合適的元件和電路布局，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和可靠性。同時(shí)，對(duì)于不同的工作模式和應(yīng)用場(chǎng)景，需要進(jìn)行深入的分析和測(cè)試，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。大家在使用LTC3787的過程中，有沒有遇到過一些獨(dú)特的問題或者有什么特別的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。