LTC3855：高性能雙路多相同步DC/DC控制器的深度剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，DC/DC控制器扮演著至關(guān)重要的角色。今天，我們將深入探討Linear Technology公司的LTC3855雙路多相同步DC/DC控制器，它在提高電源效率、降低噪聲等方面表現(xiàn)卓越，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電信系統(tǒng)、工業(yè)和醫(yī)療儀器以及DC電源分配系統(tǒng)等領(lǐng)域。

文件下載：LTC3855.pdf

1. 產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1.1 高效節(jié)能

LTC3855具備高達(dá)95%的轉(zhuǎn)換效率，這得益于其先進(jìn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)。它采用雙路180°異相控制器，有效降低了所需的輸入電容和電源感應(yīng)噪聲，減少了能量損耗，提高了整體效率。

1.2 靈活的電流檢測方式

支持RSENSE或DCR電流檢測，并且可編程DCR溫度補(bǔ)償。這種靈活性使得設(shè)計(jì)師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇最合適的電流檢測方法，同時(shí)通過溫度補(bǔ)償確保在不同溫度環(huán)境下的精確控制。

1.3 精確的輸出電壓控制

具有±0.75%的0.6V輸出電壓精度，能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定、精確的電壓輸出。同時(shí)，其鎖相固定頻率范圍為250kHz至770kHz，可根據(jù)不同應(yīng)用場景進(jìn)行靈活調(diào)整。

1.4 寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為4.5V至38V，輸出電壓范圍在無差分放大器時(shí)為0.6V至12.5V，有差分放大器時(shí)為0.6V至3.3V，能夠適應(yīng)多種電源輸入和負(fù)載需求。

1.5 多相操作能力

支持時(shí)鐘輸入和輸出，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)12相的操作，進(jìn)一步提高了電源的輸出能力和效率。

1.6 保護(hù)功能完善

具備可調(diào)節(jié)軟啟動或輸出電壓跟蹤功能、折返式輸出電流限制以及輸出過壓保護(hù)等功能，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2. 引腳功能詳解

2.1 溫度檢測輸入引腳（ITEMP1, ITEMP2）

連接到靠近電感的外部NTC電阻，用于實(shí)現(xiàn)DCR溫度補(bǔ)償功能。當(dāng)引腳浮空時(shí)，該功能將被禁用。

2.2 運(yùn)行控制輸入引腳（RUN1, RUN2）

通過施加高于1.2V的電壓來開啟相應(yīng)通道的IC，低于1.2V則關(guān)閉該通道的電路。引腳具有1μA的上拉電流，當(dāng)電壓高于1.2V時(shí)，還會額外增加4.5μA的上拉電流。

2.3 電流檢測比較器輸入引腳（SENSE1+, SENSE2+; SENSE1–, SENSE2–）

分別連接到DCR傳感網(wǎng)絡(luò)或電流傳感電阻，用于檢測電流。這些引腳為高阻抗輸入，確保了精確的電流檢測。

2.4 輸出電壓跟蹤和軟啟動輸入引腳（TK/SS1, TK/SS2）

可用于設(shè)置輸出電壓的斜坡率，實(shí)現(xiàn)軟啟動或跟蹤功能。內(nèi)部1.2μA的上拉電流對連接的電容充電，產(chǎn)生電壓斜坡，從而控制輸出電壓的上升。

2.5 電流控制閾值和誤差放大器補(bǔ)償點(diǎn)引腳（ITH1, ITH2）

每個(gè)通道的電流比較器跳閘閾值隨ITH引腳的控制電壓增加而增加，用于精確控制電感電流。

2.6 誤差放大器反饋輸入引腳（VFB1, VFB2）

接收來自外部電阻分壓器的遠(yuǎn)程感應(yīng)反饋電壓，用于與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確調(diào)節(jié)。

2.7 遠(yuǎn)程感應(yīng)差分放大器引腳（DIFFP, DIFFN, DIFFOUT）

用于實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程感應(yīng)，提高在高電流、低電壓應(yīng)用中的調(diào)節(jié)精度。DIFFP和DIFFN應(yīng)平行布線，并避免靠近高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)，以確保信號完整性。

2.8 電流比較器感測電壓范圍輸入引腳（LIM1, LIM2）

可連接到SGND、INTV CC或浮空，用于設(shè)置每個(gè)比較器的最大電流感測閾值。

2.9 電源良好指示輸出引腳（PGOOD1, PGOOD2）

當(dāng)通道輸出超出±10%的調(diào)節(jié)窗口時(shí)，引腳被拉低，指示電源狀態(tài)。

2.10 外部電源輸入引腳（EXTV CC）

當(dāng)電壓高于4.7V時(shí)，通過內(nèi)部開關(guān)連接到INTV CC，為IC供電，可提高效率。

2.11 內(nèi)部5V調(diào)節(jié)器輸出引腳（INTV CC）

為控制電路和MOSFET驅(qū)動器供電，需使用至少4.7μF的低ESR鉭或陶瓷電容進(jìn)行去耦。

2.12 主輸入電源引腳（VIN）

需要使用電容（0.1μF至1μF）進(jìn)行去耦，以減少電源噪聲。

2.13 底部柵極驅(qū)動器輸出引腳（BG1, BG2）

驅(qū)動底部N溝道MOSFET的柵極，實(shí)現(xiàn)同步開關(guān)。

2.14 電源接地引腳（PGND1, PGND2）

應(yīng)緊密連接到底部N溝道MOSFET的源極、CVCC的負(fù)極和CIN的負(fù)極，確保良好的接地。

2.15 升壓浮動驅(qū)動器電源引腳（BOOST1, BOOST2）

連接到自舉電容的正極，為頂部MOSFET驅(qū)動器提供電源。

2.16 頂部柵極驅(qū)動器輸出引腳（TG1, TG2）

驅(qū)動頂部N溝道MOSFET的柵極，實(shí)現(xiàn)同步開關(guān)。

2.17 開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接引腳（SW1, SW2）

連接到電感，電壓擺動范圍從肖特基二極管電壓降以下到VIN。

2.18 相位模式引腳（PHASMD）

用于確定內(nèi)部控制器之間的相對相位以及CLKOUT信號的相位，可連接到SGND、INTV CC或浮空。

2.19 時(shí)鐘輸出引腳（CLKOUT）

可用于同步多相電源系統(tǒng)中的其他功率級，減少輸入電容的ESR要求和效率損失。

2.20 模式/鎖相環(huán)輸入引腳（MODE/PLLIN）

具有雙重功能，可選擇操作模式（強(qiáng)制連續(xù)模式、脈沖跳過模式或突發(fā)模式），也可用于外部同步。

2.21 頻率設(shè)置引腳（FREQ）

通過連接到地的電阻設(shè)置電壓，從而編程內(nèi)部振蕩器的頻率。

2.22 信號接地引腳（SGND）

所有小信號組件和補(bǔ)償組件應(yīng)連接到該接地，最終連接到PGND。

3. 工作原理分析

3.1 主控制環(huán)路

LTC3855是一款恒頻、電流模式降壓控制器，兩個(gè)通道以180°異相運(yùn)行。在正常操作中，每個(gè)頂部MOSFET在時(shí)鐘信號設(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引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA的輸出。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，VFB引腳的電壓相對于0.6V參考電壓略有下降，導(dǎo)致ITH電壓增加，直到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。

3.2 INTV CC / EXTV CC電源

頂部和底部MOSFET驅(qū)動器以及大多數(shù)其他內(nèi)部電路的電源來自INTV CC引腳。當(dāng)EXTV CC引腳浮空或連接到低于4.7V的電壓時(shí)，內(nèi)部5V線性穩(wěn)壓器從VIN提供INTV CC電源。當(dāng)EXTV CC電壓高于4.7V時(shí)，5V穩(wěn)壓器關(guān)閉，內(nèi)部開關(guān)開啟，連接EXTV CC。使用EXTV CC引腳可以從高效的外部源（如LTC3855開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出）獲取INTV CC電源。

3.3 關(guān)機(jī)和啟動

通過RUN1和RUN2引腳可以獨(dú)立關(guān)閉LTC3855的兩個(gè)通道。將任一引腳拉低至1.2V以下將關(guān)閉相應(yīng)控制器的主控制環(huán)路。釋放RUN引腳后，內(nèi)部1μA電流將引腳拉高，使控制器啟用。啟動時(shí)，每個(gè)控制器的輸出電壓Vout由TK/SS1和TK/SS2引腳的電壓控制。當(dāng)TK/SS引腳電壓低于0.6V內(nèi)部參考電壓時(shí)，LTC3855將VFB電壓調(diào)節(jié)到TK/SS引腳電壓，而不是0.6V參考電壓。通過連接外部電容到TK/SS引腳，可以設(shè)置軟啟動周期。

3.4 輕載電流操作

LTC3855可以進(jìn)入高效突發(fā)模式操作、恒頻脈沖跳過模式或強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式。通過MODE/PLLIN引腳選擇不同的操作模式。在突發(fā)模式下，電感中的峰值電流設(shè)置為最大感測電壓的約三分之一。當(dāng)平均電感電流高于負(fù)載電流時(shí)，誤差放大器EA將降低ITH引腳的電壓。當(dāng)ITH電壓低于0.5V時(shí)，內(nèi)部睡眠信號變高，兩個(gè)外部MOSFET關(guān)閉。在睡眠模式下，負(fù)載電流由輸出電容提供。當(dāng)輸出電壓下降到一定程度時(shí)，睡眠信號變低，控制器恢復(fù)正常操作。

3.5 多芯片操作

PHASMD引腳確定內(nèi)部控制器之間的相對相位以及CLKOUT信號的相位。CLKOUT信號可用于同步多相電源系統(tǒng)中的其他功率級，減少輸入電容的ESR要求和效率損失。

3.6 差分放大器輸出電壓感測

LTC3855包含一個(gè)低失調(diào)、單位增益、高帶寬的差分放大器，用于需要真正遠(yuǎn)程感測的應(yīng)用。直接跨負(fù)載電容感測負(fù)載電壓可以大大提高高電流、低電壓應(yīng)用中的調(diào)節(jié)精度。

3.7 電感DCR感測溫度補(bǔ)償

電感DCR電流感測提供了一種無損的瞬時(shí)電流感測方法，可提高高輸出電流應(yīng)用的效率。然而，銅電感的DCR通常具有正溫度系數(shù)，隨著電感溫度升高，DCR值增加，控制器的電流限制降低。LTC3855通過允許用戶在電感附近放置NTC溫度傳感電阻來補(bǔ)償這種誤差。通過連接NTC電阻到ITEMP引腳，可以根據(jù)溫度調(diào)整最大電流感測閾值。

3.8 頻率選擇和鎖相環(huán)

通過FREQ引腳可以選擇LTC3855控制器的開關(guān)頻率，范圍為250kHz至770kHz。內(nèi)部集成了鎖相環(huán)（PLL），可將內(nèi)部振蕩器同步到連接到MODE/PLLIN引腳的外部時(shí)鐘源。

3.9 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)時(shí)，PGOOD引腳被拉低。此外，當(dāng)RUN引腳低于1.2V或LTC3855處于軟啟動或跟蹤階段時(shí)，PGOOD引腳也會被拉低。

3.10 輸出過壓保護(hù)

過壓比較器OV可防止輸出電壓出現(xiàn)瞬態(tài)過沖（>10%）以及其他可能導(dǎo)致輸出過壓的嚴(yán)重情況。在這種情況下，頂部MOSFET關(guān)閉，底部MOSFET開啟，直到過壓條件消除。

4. 應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 電流限制編程

ILIM引腳是一個(gè)三電平邏輯輸入，用于設(shè)置控制器的最大電流限制。當(dāng)ILIM接地、浮空或連接到INTV CC時(shí)，最大電流感測閾值的典型值分別為30mV、50mV或75mV。通過向ITEMP引腳施加低于0.5V的電壓，可以將最大電流感測閾值調(diào)整到這些設(shè)置之間的值。

4.2 電流感測方法

4.2.1 低阻值電阻電流感測

使用離散電阻進(jìn)行電流感測時(shí)，RSENSE的值根據(jù)所需的輸出電流選擇。電流比較器的最大閾值VSENSE(MAX)由ILIM設(shè)置，輸入共模范圍為0V至12.5V。為了獲得良好的信噪比，建議在設(shè)計(jì)中檢查AC電流感測紋波?VSENSE。在高密度/高電流應(yīng)用中，需要考慮感測電阻的寄生電感對感測信號的影響，可以使用RC濾波器來提取電阻分量。

4.2.2 電感DCR感測

對于需要在高負(fù)載電流下實(shí)現(xiàn)最高效率的應(yīng)用，LTC3855能夠感測電感DCR上的電壓降。為了正確設(shè)計(jì)外部濾波器組件，需要知道電感的DCR值，并根據(jù)公式計(jì)算目標(biāo)感測電阻值和外部電阻的值。同時(shí)，需要確保在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)應(yīng)用能夠提供滿載電流。

4.2.3 NTC補(bǔ)償DCR感測

在需要更精確電流限制的DCR感測應(yīng)用中，可以使用由NTC熱敏電阻組成的網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)償溫度對電流限制的影響。通過計(jì)算ITEMP引腳的電阻和電壓，以及RP和RS的值，可以實(shí)現(xiàn)更精確的電流限制。

4.3 電感值計(jì)算

電感值和工作頻率fosc直接決定了電感的峰峰值紋波電流。為了降低電感的核心損耗、輸出電容的ESR損耗和輸出電壓紋波，應(yīng)選擇較低的紋波電流。在選擇電感值時(shí)，需要考慮輸入和輸出電壓、工作頻率以及所需的紋波電流。

4.4 電感核心選擇

選擇電感核心時(shí)，需要考慮核心損耗和銅損耗。鐵氧體設(shè)計(jì)具有非常低的核心損耗，在高開關(guān)頻率下是首選。但需要注意避免核心飽和，以免導(dǎo)致電感紋波電流和輸出電壓紋波突然增加。

4.5 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)用于頂部開關(guān)，一個(gè)用于底部同步開關(guān)。選擇功率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?？蛇x的肖特基二極管可以防止底部MOSFET的體二極管導(dǎo)通，提高效率。

4.6 軟啟動和跟蹤

LTC3855可以通過連接電容到TK/SS引腳實(shí)現(xiàn)軟啟動，也可以跟蹤另一個(gè)通道或外部電源的輸出。軟啟動或跟蹤是通過控制輸出斜坡電壓來實(shí)現(xiàn)的，而不是限制控制器的最大輸出電流。在軟啟動或跟蹤階段，電流折返功能被禁用，以確保平滑的啟動或跟蹤過程。

4.7 輸出電壓跟蹤

通過TK/SS引腳，LTC3855可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的重合跟蹤或比例跟蹤。重合跟蹤模式提供更好的輸出調(diào)節(jié)，但需要額外的電阻；比例跟蹤模式節(jié)省一對電阻，但輸出調(diào)節(jié)效果相對較差。

4.8 INTV CC調(diào)節(jié)器和EXTV CC

LTC3855具有一個(gè)真正的PMOS LDO，從VIN電源為INTV CC供電。EXTV CC可以在其電壓高于4.7V時(shí)連接到INTV CC，為IC提供電源。使用EXTV CC可以提高效率，降低結(jié)溫。

4.9 頂部MOSFET驅(qū)動器電源

外部自舉電容CB連接到BOOST引腳，為頂部MOSFET驅(qū)動器提供柵極驅(qū)動電壓。電容CB在頂部MOSFET關(guān)閉時(shí)通過外部二極管從INTV CC充電。為了確保MOSFET的正常開啟，CB的電容值需要是頂部MOSFET總輸入電容的100倍。

4.10 欠壓鎖定

LTC3855具有兩個(gè)欠壓保護(hù)功能。一個(gè)是精確的UVLO比較器，用于監(jiān)測INTV CC電壓，當(dāng)電壓低于3.2V時(shí)鎖定開關(guān)動作。另一個(gè)是通過監(jiān)測VIN電源，使用電阻分壓器來確保VIN足夠高時(shí)開啟IC。

4.11 CIN和COUT選擇

CIN的選擇需要考慮最壞情況下的RMS電流，通過兩相架構(gòu)可以降低輸入電容的RMS紋波電流。COUT的選擇主要取決于有效串聯(lián)電阻（ESR），輸出紋波可以通過公式?VOUT ≈ IRIPPLE(ESR + 1/(8fCOUT))進(jìn)行近似計(jì)算。

4.12 設(shè)置輸出電壓

LTC3855的輸出電壓通過外部反饋電阻分壓器設(shè)置，公式為VOUT = 0.6V · (1 + RB/RA)。為了提高頻率響應(yīng)，可以使用前饋電容CFF。

4.13 故障條件：電流限制和電流折返

LTC3855包含電流折返功能，當(dāng)輸出短路到地時(shí)，最大感測電壓會從最大編程值逐漸降低到最大值的三分之一。在軟啟動或跟蹤階段，電流折返功能被禁用。

4.14 鎖相環(huán)和頻率同步

LTC3855具有鎖相環(huán)（PLL），可以將控制器1的頂部MOSFET的開啟鎖定到施加到MODE/PLLIN引腳的外部時(shí)鐘信號的上升沿?？刂破?的頂部MOSFET與外部時(shí)鐘信號相差180°。

4.15 最小導(dǎo)通時(shí)間考慮

最小導(dǎo)通時(shí)間tON(MIN)是LTC3855能夠開啟頂部MOSFET的最小時(shí)間。在低占空比應(yīng)用中，需要確保tON(MIN) < VOUT/(VIN(f))，以避免控制器跳過周期，導(dǎo)致輸出紋波電壓和電流增加。

4.16 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%。LTC3855電路中的主要損耗源包括IC VIN電流、INTV CC調(diào)節(jié)器電流、I2R損耗和頂部MOSFET過渡損耗。通過合理選擇組件和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，可以提高效率。

4.17 檢查瞬態(tài)響應(yīng)

通過觀察負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)可以檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)。開關(guān)穩(wěn)壓器需要幾個(gè)周期來響應(yīng)直流（電阻性）負(fù)載電流的階躍變化。在負(fù)載階躍發(fā)生時(shí)，VOUT會發(fā)生偏移，同時(shí)開始對COUT充電或放電，產(chǎn)生反饋誤差信號，迫使調(diào)節(jié)器適應(yīng)電流變化并將VOUT恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。在恢復(fù)過程中，可以監(jiān)測VOUT是否存在過度過沖或振鈴，以判斷系統(tǒng)的