LTC1876：高性能三輸出開關(guān)穩(wěn)壓器的技術(shù)解析

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高性能開關(guān)穩(wěn)壓器一直是工程師們關(guān)注的焦點。LTC1876作為一款高性能三輸出開關(guān)穩(wěn)壓器，憑借其獨特的設(shè)計和出色的性能，在眾多應(yīng)用中展現(xiàn)出了強大的優(yōu)勢。本文將深入解析LTC1876的特點、應(yīng)用及工作原理，為電子工程師們提供全面的技術(shù)參考。

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一、LTC1876的主要特性

1. 降壓控制器特性

• 降低輸入電容和噪聲：采用異相控制器，有效減少所需的輸入電容和電源感應(yīng)噪聲。這一特性使得在設(shè)計電路時，可以使用更小容量的輸入電容，降低成本的同時，也減少了電路板的空間占用。
• 電源良好輸出指示：具備Power Good輸出電壓指示器，方便工程師實時監(jiān)測輸出電壓是否正常。
• OPTI - LOOP補償：通過OPTI - LOOP補償，可在寬范圍的輸出電容和ESR值下優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 寬輸入電壓范圍：支持3.5V至36V的寬輸入電壓范圍，適用于多種電源環(huán)境。
• 極低的壓降操作：能夠?qū)崿F(xiàn)99%的占空比，在輸入電壓接近輸出電壓時，仍能保持高效的電壓轉(zhuǎn)換。
• 可調(diào)軟啟動和短路保護：提供可調(diào)的軟啟動電流斜坡，避免啟動時的電流沖擊。同時，具備鎖存短路關(guān)斷功能，并可選擇解除該功能，增強了電路的可靠性。
• 遠程輸出電壓感測和過壓保護：支持遠程輸出電壓感測，能夠及時檢測輸出電壓的變化，并在過壓時采取保護措施。
• 可選的工作模式：可選擇恒定頻率或Burst Mode?操作，以滿足不同的應(yīng)用需求。

2. 升壓調(diào)節(jié)器特性

• 高開關(guān)頻率：工作在1.2MHz的高開關(guān)頻率，允許使用小型低成本的電容器和電感器，減小了電路的體積。
• 低內(nèi)部開關(guān)壓降：內(nèi)部開關(guān)的V CESAT 低至400mV（@1A，VIN = 3V），降低了開關(guān)損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。
• 寬輸入電壓范圍：支持2.6V至16V的寬輸入電壓范圍，增加了應(yīng)用的靈活性。
• 高輸出電壓：能夠提供高達34V的輸出電壓，滿足一些對高電壓有需求的應(yīng)用。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

LTC1876適用于多種應(yīng)用場景，特別是在對電源效率、體積和穩(wěn)定性有較高要求的設(shè)備中。以下是一些典型的應(yīng)用：

• 3.3V輸入降壓轉(zhuǎn)換器：可將3.3V輸入轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓，為各種電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
• 筆記本和掌上電腦：滿足這些設(shè)備對電源的高效、緊湊和穩(wěn)定的需求。
• 電池供電的數(shù)字設(shè)備：在電池供電的環(huán)境下，LTC1876的低功耗和高效轉(zhuǎn)換特性能夠延長電池的續(xù)航時間。

三、電氣特性

1. 主要控制環(huán)路

• 調(diào)節(jié)反饋電壓：V OSENSE1, 2 在特定條件下，調(diào)節(jié)反饋電壓在0.792V至0.808V之間，確保輸出電壓的準(zhǔn)確性。
• 反饋電流：I VOSENSE1, 2 反饋電流在 -5nA至 -50nA之間，為電路的穩(wěn)定運行提供保障。
• 參考電壓線路調(diào)節(jié)：V REFLNREG 在輸入電壓3.6V至30V的范圍內(nèi)，參考電壓線路調(diào)節(jié)在0.002%/V至0.02%/V之間，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 輸出電壓負載調(diào)節(jié)：V LOADREG 在不同的負載條件下，輸出電壓負載調(diào)節(jié)在 -0.5%至0.5%之間，確保輸出電壓在負載變化時的穩(wěn)定性。

2. 其他特性

• 輸入直流電源電流：在不同的工作模式下，輸入直流電源電流有所不同。正常模式下為350μA，待機模式下為125μA，關(guān)斷模式下為20μA。
• 振蕩器頻率：振蕩器頻率可通過FREQSET引腳進行調(diào)節(jié)，范圍從120kHz至360kHz，滿足不同的應(yīng)用需求。

四、引腳功能

1. 控制和監(jiān)測引腳

• RUN/SS1, RUN/SS2：兼具軟啟動、運行控制輸入和短路檢測定時器的功能。通過連接到地的電容設(shè)置輸出電流的斜坡時間，當(dāng)引腳電壓低于1V時，可關(guān)閉相應(yīng)的控制器。
• SENSE1+, SENSE2+ 和 SENSE1-, SENSE2-：分別作為差分電流比較器的正、負輸入，與ITH引腳電壓和RSENSE電阻共同設(shè)置電流跳閘閾值。
• VOSENSE1, VOSENSE2：接收來自外部電阻分壓器的遠程感測反饋電壓，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。
• FREQSET：用于控制振蕩器的頻率，可通過外部電壓源進行調(diào)節(jié)，也可用于構(gòu)建真正的鎖相環(huán)。
• STBYMD：控制引腳，決定控制器關(guān)閉時哪些電路保持活躍，也可作為關(guān)閉兩個控制器的公共控制點。
• FCB：強制連續(xù)控制輸入，可用于調(diào)節(jié)次級繞組，當(dāng)引腳電壓低于0.8V時，強制兩個控制器進行連續(xù)同步操作。

2. 電源和驅(qū)動引腳

• 3.3VOUT：線性穩(wěn)壓器的輸出，能夠提供高達10mA的直流電流和50mA的峰值電流。
• AUXVIN：輔助升壓調(diào)節(jié)器的控制器電源引腳，需與AUXPGND緊密去耦。
• TG1, TG2 和 BG1, BG2：分別為頂部和底部N溝道MOSFET的高電流柵極驅(qū)動器，提供相應(yīng)的電壓驅(qū)動。
• SW1, SW2：開關(guān)節(jié)點連接到電感器，電壓擺動范圍從肖特基二極管的電壓降以下到VIN。
• BOOST1, BOOST2：為頂部浮動驅(qū)動器提供自舉電源，通過連接電容和肖特基二極管實現(xiàn)。
• INTVCC：內(nèi)部5V線性低壓差穩(wěn)壓器和EXTVCC開關(guān)的輸出，為驅(qū)動器和控制電路提供電源。
• EXTVCC：外部電源輸入，當(dāng)電壓高于4.7V時，可繞過內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器，直接為INTVCC供電。

3. 其他引腳

• PGOOD：開漏邏輯輸出，當(dāng)VOSENSE引腳的電壓不在設(shè)定值的±7.5%范圍內(nèi)時，引腳被拉低。

五、工作原理

1. 主控制環(huán)路

LTC1876采用恒定頻率、電流模式方案，為所有輸出提供出色的線路和負載調(diào)節(jié)。降壓控制器的兩個開關(guān)驅(qū)動器以180度異相運行，在正常操作時，頂部MOSFET根據(jù)時鐘信號開啟，當(dāng)主電流比較器I1檢測到峰值電感電流達到ITH引腳設(shè)定的閾值時，頂部MOSFET關(guān)閉。底部MOSFET在頂部MOSFET關(guān)閉后開啟，直到電感電流開始反向或下一個周期開始。當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，環(huán)路可能進入壓降狀態(tài)，此時頂部MOSFET會被強制關(guān)閉一段時間，以允許自舉電容CB充電。通過控制RUN/SS引腳，可以實現(xiàn)主控制環(huán)路的開啟和關(guān)閉，同時軟啟動電容CSS的充電過程可以控制輸出電流的上升速度。

2. 輔助調(diào)節(jié)器

輔助升壓調(diào)節(jié)器與其他LTC1876電路完全獨立，即使降壓控制器處于關(guān)閉狀態(tài)，也可以獨立運行。其工作原理與控制器類似，通過振蕩器OSC AUX 控制RS鎖存器，開啟單片功率開關(guān)。當(dāng)開關(guān)電流產(chǎn)生的電壓與穩(wěn)定斜坡相加后超過PWM比較器A1 AUX 的負輸入電平時，功率開關(guān)關(guān)閉。為了保護功率開關(guān)，內(nèi)部設(shè)置了1A的最小電流限制。通過控制AUXSD引腳的電壓，可以實現(xiàn)輔助調(diào)節(jié)器的開啟和關(guān)閉。

3. 低電流操作

FCB引腳具有多功能性，當(dāng)引腳電壓低于0.8V時，控制器強制進行連續(xù)PWM電流操作；當(dāng)引腳電壓在0.8V至V INTVCC - 2V之間時，控制器進入Burst Mode操作。在Burst Mode操作中，當(dāng)電感電流為負時，同步MOSFET會關(guān)閉，直到輸出電壓下降到一定程度，才會再次開啟MOSFET，以保持輸出電壓的穩(wěn)定。

4. 恒定頻率操作

當(dāng)FCB引腳連接到INTVCC時，Burst Mode操作被禁用，控制器提供恒定頻率、不連續(xù)（防止電感電流反向）的電流操作，在較寬的輸出電流范圍內(nèi)保持較低的噪聲和恒定的頻率。

5. 恒定電流（PWM）操作

將FCB引腳接地，會強制控制器進行連續(xù)電流操作。這種模式效率較低，但在某些應(yīng)用中可能是必要的。需要注意的是，在強制連續(xù)操作時，如果輸出電流為負，可能會導(dǎo)致電流回流到主電源，使輸入電源電壓升高，存在一定的風(fēng)險。

6. 頻率設(shè)置

FREQSET引腳可用于調(diào)節(jié)控制器內(nèi)部振蕩器的頻率，范圍從約140kHz至310kHz。該引腳通過內(nèi)部電阻連接到1.19V參考電壓，默認設(shè)置振蕩器頻率為約220kHz。也可以通過外部AC或DC信號源驅(qū)動該引腳，控制振蕩器的瞬時頻率。輔助升壓調(diào)節(jié)器則以恒定的1.2MHz頻率運行。

7. INTVCC / EXTVCC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INTVCC引腳。當(dāng)EXTVCC引腳懸空時，內(nèi)部5V低壓差線性穩(wěn)壓器為INTVCC供電；當(dāng)EXTVCC引腳電壓高于4.7V時，5V穩(wěn)壓器關(guān)閉，內(nèi)部開關(guān)開啟，將EXTVCC連接到INTVCC，從而可以從高效的外部電源獲取INTVCC的電源。

8. 待機模式引腳

STBYMD引腳是一個三態(tài)輸入，用于控制IC內(nèi)的公共電路。當(dāng)引腳接地時，兩個控制器的RUN/SS引腳被拉低，關(guān)閉兩個控制器；當(dāng)引腳懸空時，內(nèi)部RUN/SS電流使能，允許開啟控制器并激活必要的內(nèi)部偏置；當(dāng)引腳電壓高于2V時，兩個內(nèi)部線性穩(wěn)壓器開啟，為其他電路提供輸出電源。

9. 輸出過壓保護

過壓比較器OV用于防止輸出電壓出現(xiàn)瞬態(tài)過沖（>7.5%）以及其他可能導(dǎo)致輸出過壓的情況。當(dāng)檢測到過壓時，頂部MOSFET關(guān)閉，底部MOSFET開啟，直到過壓條件消除。

10. 電源良好（PGOOD）引腳

PGOOD引腳連接到內(nèi)部MOSFET的開漏極，當(dāng)兩個輸出電壓不在其標(biāo)稱輸出電平的±7.5%范圍內(nèi)時，MOSFET開啟，將引腳拉低；當(dāng)輸出電壓滿足要求時，MOSFET在10μs內(nèi)關(guān)閉，引腳可通過外部電阻上拉至最高7V的電源。

11. 折返電流、短路檢測和短路鎖存

RUN/SS電容最初用于限制每個降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的浪涌電流。在控制器啟動并為輸出電容充電后，RUN/SS電容用作短路超時電路。當(dāng)輸出電壓降至其標(biāo)稱輸出電壓的70%以下時，RUN/SS電容開始放電，如果該情況持續(xù)一段時間，兩個控制器將被關(guān)閉，直到RUN/SS引腳電壓恢復(fù)正常。內(nèi)置的鎖存功能可以通過提供大于5μA的上拉電流來覆蓋。此外，當(dāng)輸出電壓低于70%的標(biāo)稱水平時，折返電流限制也會被激活，確保在短路情況下提供安全的低輸出電流。

六、兩相操作的原理和優(yōu)勢

1. 兩相操作的需求

在大多數(shù)雙恒定頻率開關(guān)穩(wěn)壓器中，兩個調(diào)節(jié)器通常同相運行，這會導(dǎo)致輸入電容和電池需要提供高達兩倍于單個調(diào)節(jié)器的電流脈沖，增加了輸入電容的總RMS電流，需要使用更昂貴的輸入電容，并增加了EMI和輸入電容及電池的損耗。

2. 兩相操作的優(yōu)勢

LTC1876的雙高效DC/DC控制器采用兩相操作，將兩個開關(guān)調(diào)節(jié)器的通道以180度異相運行，有效地交錯了開關(guān)產(chǎn)生的電流脈沖，大大減少了電流脈沖的重疊時間。這使得總RMS輸入電流顯著降低，從而可以使用更便宜的輸入電容，減少了EMI屏蔽要求，并提高了實際工作效率。實際測量表明，兩相操作將輸入電流從2.53A RMS 降低到1.55A RMS ，由于功率損耗與I RMS 2成正比，實際功率損耗降低了2.66倍。同時，降低的輸入紋波電壓也減少了輸入電源路徑中的功率損耗。

七、總結(jié)

LTC1876作為一款高性能三輸出開關(guān)穩(wěn)壓器，具有降壓控制器和升壓調(diào)節(jié)器的雙重功能，具備多種優(yōu)秀的特性和靈活的工作模式。其兩相操作的設(shè)計在降低輸入電容、減少EMI和提高效率方面具有顯著優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體的需求，合理選擇LTC1876的工作模式和引腳配置，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源管理。你在使用LTC1876的過程中遇到過哪些問題呢？你認為它在哪些應(yīng)用場景中還可以進一步優(yōu)化？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。