深入剖析LTC7825：高性能開關電容DC/DC轉換器的卓越之選

在電子設計領域，DC/DC轉換器是至關重要的組件，它能高效地實現(xiàn)電壓轉換，滿足不同電路的供電需求。今天，我們就來深入探討凌力爾特（現(xiàn)ADI）推出的一款優(yōu)秀的DC/DC轉換器——LTC7825。

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一、LTC7825概述

LTC7825是一款完全集成的單片式DC/DC轉換器，采用開關電容架構，在輸入輸出電壓比為2:1的應用中能實現(xiàn)極高的效率。它具有諸多出色的特性，適用于消費電子、工業(yè)應用以及電池應用等多個領域。

特性亮點

1. 寬電壓范圍：(V{HIGH } / V{LOW }) 電壓范圍從0V/0V到24V/12V，(V_{CC}) 電源范圍從4.5V到38V，能適應多種不同的電源環(huán)境。
2. 高效率：在10A負載下效率高達97%，大大降低了能量損耗，提高了系統(tǒng)的整體效率。
3. 保護功能齊全：具備輸入過壓保護、輸入輸出短路保護、浪涌電流限制和保護等功能，有效保障了電路的安全穩(wěn)定運行。
4. 可編程工作頻率：工作開關頻率可在100kHz到1.4MHz之間線性編程，方便工程師根據(jù)具體應用需求進行調整。

二、電氣特性分析

電壓參數(shù)

LTC7825的(V{CC}) 偏置電壓范圍為4.5V - 40V，(V{HIGH}) 電壓范圍為0 - 25V，(V_{LOW}) 電壓范圍為0 - 12.5V。這些參數(shù)為其在不同電壓環(huán)境下的應用提供了廣闊的空間。

電流參數(shù)

在正常工作時，(V{CC}) 電源電流在不同條件下有所不同，如(V{RUN } = 0V) 時為20μA，(V{RUN } = 5V) 且無開關操作時為3mA。此外，還規(guī)定了各種引腳的電流參數(shù)，如(I{Q})、(I{SOURCE})、(I{SINK}) 等，這些參數(shù)對于電路的設計和性能評估至關重要。

其他參數(shù)

包括MOSFET導通電阻、振蕩器頻率范圍、故障和滯回編程相關參數(shù)等，這些參數(shù)共同決定了LTC7825的性能和功能。例如，頂部兩個MOSFET的導通電阻(R{DS(ON)1,2}) 典型值為8mΩ，底部兩個MOSFET的導通電阻(R{DS(ON) 3,4}) 典型值為6mΩ，(V{OUT}) MOSFET的導通電阻(R{DS(ON) 5}) 典型值為2.5mΩ，低導通電阻有助于降低功率損耗，提高效率。

三、引腳功能詳解

LTC7825采用28引腳的4mm × 5mm LGA（LQFN）封裝，每個引腳都有其特定的功能。

1. 電源和電壓輸入引腳：(V{HIGH}) 和 (V{LOW}) 分別為開關電容轉換器的高側和低側電壓輸入，通過連接合適的電容可以實現(xiàn)高效運行。
2. 開關節(jié)點引腳：SWH和SWL為高側和低側開關節(jié)點，連接到飛跨電容，用于實現(xiàn)電壓轉換。
3. 控制和信號引腳：RUN引腳用于數(shù)字運行控制，控制轉換器的啟動和關閉；FREQ引腳用于設置工作頻率；FAULT引腳為開漏輸出，當出現(xiàn)故障時會被拉低。
4. 電源和偏置引腳：(V{CC}) 為驅動器和內部充電電路提供電源，(INTV{CC}) 為內部線性低壓差穩(wěn)壓器的輸出，為驅動器和控制電路供電，(EXTV{CC}) 為外部電源輸入，可在滿足一定條件時為(INTV{CC}) 供電。

四、工作原理

主控制

LTC7825是一款恒頻、開環(huán)開關電容/電荷泵轉換器。在穩(wěn)態(tài)運行時，內部開關不斷導通和關斷，使飛跨電容在SWH和SWL之間與(V{LOW}) 電容并聯(lián)或串聯(lián)。通過這種方式，(V{LOW}) 引腳電壓始終接近(V_{HIGH}) 電壓的一半，并且由于其在高開關頻率下具有極低的輸出阻抗，對可變負載不敏感。

電源供應

內部四路N溝道MOSFET驅動器和大多數(shù)內部電路的電源來自(INTV{CC}) 引腳。通常，內部4.5V線性穩(wěn)壓器從(V{CC}) 提供(INTV{CC}) 電源。當(V{CC}) 連接到高輸入電壓時，可將可選的外部電壓源連接到(EXTV{CC}) 引腳，通過另一個4.5V線性穩(wěn)壓器從(EXTV{CC}) 引腳提供(INTV_{CC}) 電源。

啟動和關閉

當RUN引腳被拉低時，LTC7825進入關機模式，此時大多數(shù)內部電路關閉，功耗小于30μA。釋放RUN引腳后，內部1μA電流將該引腳拉高，使轉換器啟動。

故障保護和熱關斷

LTC7825會持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，當出現(xiàn)故障時，會停止開關操作并將FAULT引腳拉低。要清除故障，需要滿足相應的條件，如(V{LOW}) 電壓在(V{HIGH} / 2) 附近的編程窗口內，(V_{HIGH}) 電壓低于26V等。

過流保護

在穩(wěn)態(tài)運行時，(V{LOW}) 電壓會隨著負載電流的增加而線性下降。通過選擇不同的(V{Low}) 到 (V_{HIGH} / 2) 窗口（由HYS_PRGM引腳控制）可以設置過流保護。當觸發(fā)過流故障時，LTC7825會停止開關操作并嘗試重新啟動。

頻率選擇

開關頻率的選擇需要在效率和組件尺寸之間進行權衡。低頻操作可以通過減少MOSFET開關損耗來提高效率，但需要更大的電容來保持低輸出紋波電壓和低輸出阻抗。FREQ引腳可用于將轉換器的工作頻率編程為100kHz到1.4MHz。

五、應用信息

典型應用電路

數(shù)據(jù)手冊首頁的典型應用是一個LTC7825電壓 divider電路，該電路能將(V{HIGH}) 電壓以2:1的降壓比轉換為(V{LOW}) 電壓，并在穩(wěn)態(tài)運行時提供12A的負載電流。在過流或啟動條件下，轉換器會自動將(V_{HIGH}) 電源峰值電流限制為200mA，以實現(xiàn)熱保護。

電壓預平衡

在電壓分壓應用中，LTC7825可以實現(xiàn)軟啟動，以最小化所有初始條件下的浪涌電流。飛跨電容和(V{LOW}) 電容的電壓會在內部預充電到(V{HIGH}) 電壓的一半，啟動時的預充電電流約為200mA。通過TIMER引腳可以控制預充電時間，預充電僅在(0.5 < V_{TIMER } < 1.0 V) 時啟用。

窗口比較器編程

在穩(wěn)態(tài)運行時，(V{LOW}) 電壓應始終接近(V{HIGH} / 2)。浮動窗口比較器會監(jiān)測(V{LOW}) 引腳的電壓，并將其與(V{HIGH} / 2) 進行比較。窗口滯回電壓可以通過HYS_PRGM引腳進行編程，其值等于HYS_PRGM引腳電壓的五分之一。

輸出電阻和負載調節(jié)

LTC7825不通過反饋閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)輸出電壓，但在穩(wěn)態(tài)運行時，(V{LOW}) 電壓非常接近(V{HIGH}) 電壓的一半。由于(V{HIGH}) 到 (V{LOW}) 的(R{DS(ON)}) 電阻僅為20mΩ - 30mΩ（取決于開關頻率和(C{FLY}) 和 (C_{LOW}) 的電容值），輸出電阻非常低。

電源和旁路電容

LTC7825具有一個PMOS LDO，從(V{CC}) 電源為(INTV{CC}) 供電。(EXTV{CC}) 通過另一個PMOS LDO連接到(INTV{CC})，當(EXTV{CC}) 電壓高于5V且(V{CC}) 高于6V時，可以提供所需的電源。兩個LDO都需要通過至少4.7μF的陶瓷電容或低ESR電解電容旁路到地，以提供MOSFET柵極驅動器所需的高瞬態(tài)電流。

輸入輸出電容和飛跨電容選擇

在高功率開關電容應用中，建議使用低ESR陶瓷電容作為飛跨電容和輸入/輸出電容。輸入電容的RMS電流約為負載電流的一半，需要根據(jù)最大負載條件進行選擇。

PCB布局檢查

在進行PCB布局時，需要確保暴露焊盤(SGND / N{LOW } N{OUT }) 與PCB上的相應引腳牢固連接，所有電容(C{FLY} / C{LOW} / C{OUT}) 靠近IC，(INTV{CC}) 旁路電容靠近IC連接在(INTV{CC}) 和接地平面之間，PCB走線足夠寬以處理大負載電流，多層板上(V{HIGH } N_{OUT } / P G N D) 平面有足夠的熱過孔。

六、設計示例

以一個電壓分壓應用為例，假設(V{IN } = 12 ~V ~ 20 ~V)，(V{OUT } = 6 ~V ~ 10 ~V)，(I_{OUT } = 10 ~A)。

1. 開關頻率選擇：開關頻率的選擇需要在開關損耗和解決方案尺寸之間進行權衡。在大多數(shù)應用中，最佳開關頻率約為300kHz - 600kHz，因此選擇500kHz作為起始點。
2. 飛跨電容選擇：選擇飛跨電容時，要使飛跨電容在滿載條件下的紋波電壓約為100mV。根據(jù)公式(C{F L Y}=frac{I{OUT }}{2 cdot f{SW } cdot C{FLYRIPPLE }}) 計算得到(C{FLY} = 100 μF)?？紤]到陶瓷電容在10V直流偏置電壓下的電容降額，選擇十二個10μF/X7R電容并聯(lián)作為飛跨電容。
3. 輸入/輸出電容選擇：輸入/輸出電容的選擇與飛跨電容類似，輸出電容數(shù)量越多，輸出電壓紋波越小，效率越高。一般來說，輸入/輸出電容的數(shù)量可以從飛跨電容數(shù)量的一半開始選擇。

七、總結

LTC7825是一款功能強大、性能卓越的開關電容DC/DC轉換器，具有寬電壓范圍、高效率、多種保護功能和可編程工作頻率等優(yōu)點。通過合理的設計和布局，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，滿足不同應用場景的需求。在實際設計中，工程師需要根據(jù)具體的應用要求，仔細選擇參數(shù)和組件，確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用LTC7825進行設計時，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。