LTC3857-1 雙路同步降壓控制器：高效電源設(shè)計(jì)的理想之選

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定且可靠的電源轉(zhuǎn)換一直是工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。今天，我們就來(lái)深入了解一下凌力爾特（現(xiàn)屬于亞德諾半導(dǎo)體，Analog Devices）公司推出的 LTC3857-1 雙路同步降壓控制器，探討它在電源設(shè)計(jì)中的特性、工作原理以及應(yīng)用要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3857 - 1 是一款高性能的雙路同步降壓開(kāi)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)。它采用了恒頻電流模式架構(gòu)，具備高達(dá) 850kHz 的鎖相頻率，并且兩個(gè)控制器輸出級(jí)異相工作，有效降低了輸入電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）帶來(lái)的功率損耗和噪聲。

這款控制器具有低靜態(tài)電流（IQ）的特點(diǎn)，在單通道開(kāi)啟時(shí)，靜態(tài)電流僅為 50μA，有助于延長(zhǎng)電池供電系統(tǒng)的工作時(shí)間。其輸入電壓范圍為 4V 至 38V，輸出電壓范圍為 0.8V 至 24V，能夠滿(mǎn)足多種不同的應(yīng)用需求。此外，它還支持 RSENSE 或 DCR 電流檢測(cè)方式，具備多種工作模式可供選擇，如連續(xù)模式、脈沖跳躍模式和低紋波突發(fā)模式（Burst Mode?）等。

二、關(guān)鍵特性

低功耗設(shè)計(jì)

• 靜態(tài)電流低：在睡眠模式下，單通道開(kāi)啟時(shí)靜態(tài)電流低至 50μA，雙通道開(kāi)啟時(shí)也僅為 65 - 120μA，關(guān)機(jī)時(shí) IQ 小于 8μA，極大地降低了系統(tǒng)的功耗，適用于對(duì)功耗敏感的應(yīng)用，如電池供電設(shè)備。
• 高效運(yùn)行：通過(guò)異相工作和優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)，減少了輸入電容的 ESR 損耗和電源感應(yīng)噪聲，提高了整體效率。

寬電壓范圍

• 輸入電壓范圍寬：4V 至 38V 的輸入電壓范圍，能夠適應(yīng)多種不同的電源輸入，如電池、中間總線電壓等。
• 輸出電壓可調(diào)：輸出電壓范圍為 0.8V 至 24V，可通過(guò)外部電阻分壓器輕松設(shè)置，滿(mǎn)足不同負(fù)載的電壓需求。

靈活的工作模式

• 脈沖跳躍模式和連續(xù)模式：在輕載時(shí)，可選擇脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)模式，根據(jù)負(fù)載情況靈活調(diào)整工作狀態(tài)，提高效率。
• 突發(fā)模式：突發(fā)模式能夠在輕載時(shí)進(jìn)一步降低功耗，同時(shí)保持較低的輸出電壓紋波。

其他特性

• 鎖相環(huán)功能：支持 75kHz - 850kHz 的鎖相頻率，可與外部時(shí)鐘同步，減少系統(tǒng)中的電磁干擾（EMI）。
• 輸出電壓軟啟動(dòng)和跟蹤：通過(guò)獨(dú)立的 TRACK/SS 引腳，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的軟啟動(dòng)和跟蹤功能，避免啟動(dòng)時(shí)的過(guò)沖和浪涌電流。
• 過(guò)壓保護(hù)和電源良好指示：具備輸出過(guò)壓保護(hù)功能，當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)采取保護(hù)措施；同時(shí)，PGOOD1 引腳可指示輸出電壓是否在正常范圍內(nèi)。

三、工作原理

主控制回路

LTC3857 - 1 采用恒頻電流模式降壓架構(gòu)，兩個(gè)控制器通道異相 180 度工作。在正常工作時(shí)，每個(gè)外部頂部 MOSFET 在該通道的時(shí)鐘設(shè)置 RS 鎖存器時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)主電流比較器（ICMP）重置 RS 鎖存器時(shí)關(guān)斷。ICMP 觸發(fā)并重置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。誤差放大器將輸出電壓反饋信號(hào)（通過(guò)外部電阻分壓器從輸出電壓 VOUT 獲得）與內(nèi)部 0.800V 參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，VFB 相對(duì)于參考電壓略有下降，導(dǎo)致 EA 增加 ITH 電壓，直到平均電感電流與新的負(fù)載電流匹配。

INTVCC/EXTVCC 電源

頂部和底部 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器以及大多數(shù)其他內(nèi)部電路的電源來(lái)自 INTVCC 引腳。當(dāng) EXTVCC 引腳懸空或連接到低于 4.7V 的電壓時(shí)，VIN LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）從 VIN 向 INTVCC 提供 5.1V 電壓；如果 EXTVCC 電壓高于 4.7V，則 VIN LDO 關(guān)閉，EXTVCC LDO 開(kāi)啟，從 EXTVCC 向 INTVCC 提供 5.1V 電壓。這樣可以利用外部高效電源為 INTVCC 供電，提高系統(tǒng)效率。

輕載電流操作

LTC3857 - 1 在輕載時(shí)可進(jìn)入三種不同的工作模式：

• 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，電感中的最小峰值電流設(shè)置為最大感應(yīng)電壓的約 15%，當(dāng) ITH 電壓低于 0.425V 時(shí)，內(nèi)部睡眠信號(hào)置高，兩個(gè)外部 MOSFET 關(guān)斷，大部分內(nèi)部電路關(guān)閉，以降低靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電壓下降到一定程度時(shí)，控制器恢復(fù)正常工作。
• 脈沖跳躍模式：將 PLLIN/MODE 引腳連接到大于 1.2V 且小于 INTVCC - 1.3V 的直流電壓，可選擇脈沖跳躍模式。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%，在非常輕載時(shí)，電流比較器可能會(huì)連續(xù)幾個(gè)周期觸發(fā)，使外部頂部 MOSFET 連續(xù)幾個(gè)周期關(guān)斷（即跳過(guò)脈沖），電感電流不允許反向，具有低輸出紋波和低音頻噪聲的特點(diǎn)。
• 強(qiáng)制連續(xù)模式：將 PLLIN/MODE 引腳連接到 INTVCC，可選擇強(qiáng)制連續(xù)模式。在該模式下，電感電流在輕載或大瞬態(tài)條件下允許反向，輕載時(shí)效率低于突發(fā)模式，但輸出電壓紋波較低，對(duì)音頻電路的干擾較小。

頻率選擇和鎖相環(huán)

LTC3857 - 1 的開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò) 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)，可將 FREQ 引腳接地（選擇 350kHz）、連接到 INTVCC（選擇 535kHz）或通過(guò)外部電阻進(jìn)行編程（頻率范圍為 50kHz - 900kHz）。此外，該控制器還具備鎖相環(huán)（PLL）功能，可將內(nèi)部振蕩器與連接到 PLLIN/MODE 引腳的外部時(shí)鐘源同步，使控制器 1 的外部頂部 MOSFET 的導(dǎo)通與外部時(shí)鐘的上升沿對(duì)齊，控制器 2 的外部頂部 MOSFET 的導(dǎo)通與外部時(shí)鐘的上升沿相差 180 度。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電流檢測(cè)方法選擇

LTC3857 - 1 可配置為使用 DCR（電感電阻）檢測(cè)或低值電阻檢測(cè)兩種電流檢測(cè)方案。DCR 檢測(cè)可節(jié)省昂貴的電流檢測(cè)電阻，提高功率效率，尤其適用于高電流應(yīng)用；而電流檢測(cè)電阻則能為控制器提供最準(zhǔn)確的電流限制。在選擇時(shí)，需要綜合考慮成本、功耗和精度等因素。

電感選擇

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(kāi)關(guān)損耗，降低效率；較低的工作頻率則相反。此外，電感值還會(huì)影響紋波電流和低電流操作。一般來(lái)說(shuō)，可根據(jù)允許的紋波電流來(lái)選擇電感值，通常建議將紋波電流設(shè)置為最大輸出電流的 30%左右。同時(shí)，要注意選擇合適的電感芯材，如鐵氧體或鉬坡莫合金芯，以降低鐵芯損耗。

功率 MOSFET 和肖特基二極管選擇

每個(gè)控制器需要選擇兩個(gè)外部功率 MOSFET，一個(gè)用于頂部（主）開(kāi)關(guān)，一個(gè)用于底部（同步）開(kāi)關(guān)。由于 INTVCC 電壓通常為 5.1V，大多數(shù)應(yīng)用中應(yīng)使用邏輯電平閾值 MOSFET；如果預(yù)計(jì)輸入電壓較低（VIN < 4V），則應(yīng)使用亞邏輯電平閾值 MOSFET。選擇 MOSFET 時(shí)，需要考慮導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）、米勒電容（CMILLER）、輸入電壓和最大輸出電流等因素。此外，可選的肖特基二極管可在兩個(gè)功率 MOSFET 導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，防止底部 MOSFET 的體二極管導(dǎo)通，提高效率。

輸入和輸出電容選擇

• 輸入電容（CIN）：由于 2 相架構(gòu)的影響，CIN 的選擇相對(duì)簡(jiǎn)化。最壞情況下的電容 RMS 電流發(fā)生在只有一個(gè)控制器工作時(shí)，可根據(jù)公式計(jì)算最大 RMS 電容電流要求。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)選擇低 ESR 的電容，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行降額使用。多個(gè)電容可并聯(lián)以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中的尺寸或高度要求。
• 輸出電容（COUT）：COUT 的選擇主要由有效串聯(lián)電阻（ESR）決定，通常在滿(mǎn)足 ESR 要求的情況下，電容值足以進(jìn)行濾波。輸出紋波電壓可通過(guò)公式近似計(jì)算，在最大輸入電壓時(shí)輸出紋波最高。

輸出電壓設(shè)置

LTC3857 - 1 的輸出電壓通過(guò)外部反饋電阻分壓器設(shè)置，公式為 VOUT = 0.8V * (1 + RB / RA)。為了提高頻率響應(yīng)，可使用前饋電容 CFF。同時(shí)，要注意將 VFB 線路遠(yuǎn)離噪聲源，如電感或 SW 線路。

跟蹤和軟啟動(dòng)

通過(guò) TRACK/SS 引腳可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的軟啟動(dòng)和跟蹤功能。軟啟動(dòng)通過(guò)在 TRACK/SS 引腳連接一個(gè)電容到地來(lái)實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部 1μA 電流源對(duì)電容充電，使輸出電壓從 0V 平滑上升到最終調(diào)節(jié)值。跟蹤功能則通過(guò)將 TRACK/SS 引腳連接到另一個(gè)電源的電阻分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，使輸出電壓在啟動(dòng)時(shí)跟蹤另一個(gè)電源。

五、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如高效雙路 3.3V/8.5V 降壓轉(zhuǎn)換器、高效雙路 2.5V/3.3V 降壓轉(zhuǎn)換器等。這些電路展示了 LTC3857 - 1 在不同輸出電壓和電流要求下的具體應(yīng)用，為工程師提供了參考和設(shè)計(jì)思路。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的電路，并按照上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行元件選擇和參數(shù)計(jì)算。同時(shí)，要注意 PCB 布局，遵循相關(guān)的布局指南，以確保電路的性能和穩(wěn)定性。

六、總結(jié)

LTC3857 - 1 作為一款高性能的雙路同步降壓控制器，具有低功耗、寬電壓范圍、靈活的工作模式和多種保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)，適用于汽車(chē)常通系統(tǒng)、電池供電的數(shù)字設(shè)備、分布式直流電源系統(tǒng)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，工程師們可以充分利用其特性，結(jié)合合理的元件選擇和 PCB 布局，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定且可靠的電源設(shè)計(jì)。

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