LT8342：高效同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，選擇一款合適的DC/DC轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天我們就來(lái)深入探討一下Analog Devices推出的LT8342，這是一款低靜態(tài)電流（(I_{Q})）、同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，具備諸多出色特性，可廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

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一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 低EMI設(shè)計(jì)

LT8342采用了Silent Switcher?架構(gòu)，能夠顯著降低電磁干擾（EMI）排放。同時(shí)，它還支持可選的擴(kuò)頻頻率調(diào)制（SSFM），進(jìn)一步優(yōu)化了EMI性能。這種低EMI的特性使得它在對(duì)電磁兼容性要求較高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，比如汽車電子和工業(yè)電源等領(lǐng)域。

2. 寬輸入輸出電壓范圍

其輸入電壓范圍為2.8V至40V，輸出電壓可編程至36V，能夠適應(yīng)多種不同的電源輸入和輸出需求。這種寬范圍的設(shè)計(jì)為工程師在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中提供了更大的靈活性。

3. 低靜態(tài)電流

在不同的工作模式下，LT8342都能保持較低的靜態(tài)電流。例如，在關(guān)機(jī)模式下，(V{IN})引腳的靜態(tài)電流僅為350nA；在突發(fā)模式（Burst Mode）下為9μA；在直通模式（PassThru?）下為12μA（(V{IN } ≥V_{OUT })）。低靜態(tài)電流有助于降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，對(duì)于一些對(duì)功耗敏感的應(yīng)用非常重要。

4. 高功率開(kāi)關(guān)集成

芯片內(nèi)部集成了40V、9A的功率開(kāi)關(guān)，能夠提供較高的輸出功率。同時(shí)，還具備輸出短路保護(hù)和浪涌電流抑制功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5. 靈活的工作模式

支持脈沖跳躍（Pulse-Skipping）或突發(fā)模式（Burst Mode），可根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整工作模式，以實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。在輕負(fù)載時(shí)，突發(fā)模式可以進(jìn)一步降低功耗，提高效率。

6. 可調(diào)節(jié)和同步的開(kāi)關(guān)頻率

開(kāi)關(guān)頻率可在300kHz至3MHz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且可以與外部時(shí)鐘同步。這種靈活性使得工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率，平衡效率和元件尺寸。

二、引腳配置與功能

1. 引腳配置

LT8342采用24引腳（4mm × 4mm）的LQFN封裝，引腳排列緊湊。每個(gè)引腳都有其特定的功能，下面為大家介紹一些關(guān)鍵引腳：

• GATE：用于驅(qū)動(dòng)外部N溝道輸入斷開(kāi)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），實(shí)現(xiàn)輸入斷開(kāi)功能，可用于輸出短路保護(hù)和浪涌電流抑制。
• BST：頂部開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電源引腳，需要連接一個(gè)100nF的低等效串聯(lián)電阻（ESR）陶瓷電容器。
• SW：內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)輸出引腳，連接內(nèi)部低側(cè)/高側(cè)NMOS功率開(kāi)關(guān)的漏極/源極。
• VOUT：轉(zhuǎn)換器輸出引腳，需要連接一個(gè)大的低ESR陶瓷電容器（≥ 4.7μF）來(lái)過(guò)濾電壓紋波。
• VSET2/FB：輸出電壓設(shè)置2 / 外部反饋引腳，可用于設(shè)置輸出電壓。
• SYNC/MODE：該引腳允許選擇五種可選模式，包括突發(fā)模式、脈沖跳躍模式、同步模式和擴(kuò)頻頻率調(diào)制模式，以優(yōu)化性能。

2. 功能描述

通過(guò)合理配置這些引腳，可以實(shí)現(xiàn)多種功能。例如，通過(guò)EN/UVLO引腳可以設(shè)置輸入欠壓鎖定閾值，控制芯片的開(kāi)啟和關(guān)閉；通過(guò)VSET1和VSET2/FB引腳可以選擇預(yù)設(shè)的輸出電壓級(jí)別；通過(guò)SYNC/MODE引腳可以選擇不同的工作模式和開(kāi)關(guān)頻率同步方式。

三、工作原理

LT8342采用固定頻率和峰值電流模式控制，以提供出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。其工作過(guò)程如下：

1. 啟動(dòng)階段

當(dāng)EN/UVLO引腳電壓足夠高且(V{IN})引腳電壓至少為2.8V時(shí)，內(nèi)部電路被激活。芯片會(huì)檢查是使用內(nèi)部反饋（(FBINT)）還是外部反饋（VSET2/FB引腳）作為反饋節(jié)點(diǎn)（(FB{0})）。如果使用內(nèi)部反饋，F(xiàn)B_SEL會(huì)自動(dòng)確定正確的內(nèi)部反饋比例。同時(shí)，10μA的電流從SS引腳逐漸對(duì)外部軟啟動(dòng)電容（(Css)）充電，緩慢提升調(diào)節(jié)參考電壓。

2. 開(kāi)關(guān)控制

振蕩器（A1）通過(guò)RT引腳連接到地的電阻設(shè)置頻率，在每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)開(kāi)啟內(nèi)部底部功率開(kāi)關(guān)（M1）。電感中的電流隨后增加，直到底部開(kāi)關(guān)電流比較器（A2）觸發(fā)并關(guān)閉底部功率開(kāi)關(guān)。底部開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)的峰值電感電流由VC引腳的電壓控制。誤差放大器（A3）通過(guò)比較反饋節(jié)點(diǎn)（(FB_{0})）的電壓與內(nèi)部1V參考電壓來(lái)調(diào)節(jié)VC引腳的電壓，從而設(shè)置正確的峰值開(kāi)關(guān)電流水平，以保持輸出電壓穩(wěn)定。

3. 同步開(kāi)關(guān)

當(dāng)?shù)撞抗β书_(kāi)關(guān)（M1）關(guān)閉時(shí)，同步功率開(kāi)關(guān)（M2）開(kāi)啟，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始或電感電流降至零。

4. 直通模式

在某些應(yīng)用中，當(dāng)(V{IN })超過(guò)(V{OUT})且(V_{OUT})高于其編程的調(diào)節(jié)電壓時(shí)，LT8342進(jìn)入直通模式，此時(shí)頂部同步開(kāi)關(guān)保持導(dǎo)通，底部開(kāi)關(guān)保持關(guān)閉，以最大化效率。

5. 保護(hù)功能

芯片具備輸出過(guò)壓和短路保護(hù)、熱關(guān)斷和欠壓鎖定等保護(hù)功能。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率來(lái)保持電感的伏秒平衡，防止在極低占空比條件下電感電流失控。

四、應(yīng)用信息

1. 輸入電壓閾值編程

可以通過(guò)EN/UVLO引腳連接一個(gè)從(V{IN})到地的電阻分壓器來(lái)設(shè)置系統(tǒng)(V{IN})的開(kāi)啟和關(guān)閉閾值。在輕負(fù)載的突發(fā)模式操作中，電阻網(wǎng)絡(luò)(R{1})和(R{2})中的電流可能會(huì)大于LT8342消耗的電源電流，因此(R{1})和(R{2})應(yīng)選擇較大的值，以最小化它們對(duì)低負(fù)載效率的影響。

2. 輸出電壓編程

LT8342具有可調(diào)節(jié)的內(nèi)部反饋分壓器，可通過(guò)配置VSET1和VSET2/FB引腳來(lái)選擇預(yù)設(shè)的輸出電壓級(jí)別。在需要外部反饋的應(yīng)用中，可以將VSET1引腳通過(guò)100kΩ電阻連接到INTVCC，將VSET2/FB引腳作為傳統(tǒng)的反饋引腳，通過(guò)電阻分壓器來(lái)設(shè)置輸出電壓。

3. 輕負(fù)載操作模式

• 突發(fā)模式（Burst Mode）：在輕負(fù)載時(shí)，芯片可自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)模式，保持電感峰值電流最小為1.6A（典型值），隨著負(fù)載減小，開(kāi)關(guān)頻率降低，從而在調(diào)節(jié)輸出電壓的同時(shí)，最小化輸入靜態(tài)電流和輸出電壓紋波。使用較大值的電感可以提高輕負(fù)載效率，因?yàn)樵诿看涡∶}沖中可以向輸出傳遞更多能量，使芯片在脈沖之間的睡眠模式中停留更長(zhǎng)時(shí)間。
• 脈沖跳躍模式（Pulse-Skipping Mode）：與突發(fā)模式不同，脈沖跳躍模式下內(nèi)部時(shí)鐘始終保持開(kāi)啟，所有開(kāi)關(guān)周期都與時(shí)鐘對(duì)齊。在這種模式下，內(nèi)部電路始終處于喚醒狀態(tài)，(V_{IN})引腳的靜態(tài)電流增加到1.9mA。當(dāng)負(fù)載從零開(kāi)始增加時(shí)，達(dá)到由RT引腳電阻編程的開(kāi)關(guān)頻率的輸出負(fù)載比突發(fā)模式下更低，因此在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)具有較低的輸出紋波。

4. 開(kāi)關(guān)頻率編程和同步

開(kāi)關(guān)頻率可以通過(guò)RT引腳連接到地的單個(gè)外部電阻在300kHz至3MHz范圍內(nèi)進(jìn)行編程。同時(shí)，芯片的工作頻率可以與外部時(shí)鐘源同步，只需向SYNC/MODE引腳提供數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)，芯片將以SYNC脈沖頻率運(yùn)行，并在輕負(fù)載時(shí)自動(dòng)進(jìn)入脈沖跳躍模式。

5. 擴(kuò)頻頻率調(diào)制（SSFM）

通過(guò)將SYNC/MODE引腳通過(guò)100kΩ電阻連接到地或連接到INTVCC，可以選擇在突發(fā)模式或脈沖跳躍模式下啟用SSFM，以進(jìn)一步降低電磁輻射。啟用SSFM后，內(nèi)部振蕩器頻率會(huì)在由(R_{T})電阻編程的值和比該值高約13%之間變化，調(diào)制頻率約為開(kāi)關(guān)頻率的0.45%。

6. 直通模式操作

在汽車預(yù)升壓應(yīng)用中，當(dāng)輸入電壓高于由反饋電阻網(wǎng)絡(luò)編程的調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)，LT8342進(jìn)入直通模式。在該模式下，同步功率開(kāi)關(guān)M2保持導(dǎo)通，功率開(kāi)關(guān)M1保持關(guān)閉。輸入靜態(tài)電流可低至26.5μA（使用輸入斷開(kāi)FET）或12μA（不使用輸入斷開(kāi)FET）。如果輸入電壓超過(guò)目標(biāo)輸出電壓的110%，PG引腳將拉低以指示(V_{OUT})超出調(diào)節(jié)范圍。為了進(jìn)一步降低直通模式下的功耗，可以將PREBOOST引腳連接到INTVCC，使PG引腳在輸出電壓高于調(diào)節(jié)范圍時(shí)不再拉低。

7. 輸出短路保護(hù)

通過(guò)添加外部感測(cè)電阻（(R{SNS})）和N溝道FET（(M{EXT})）串聯(lián)在轉(zhuǎn)換器輸入中，可以實(shí)現(xiàn)可選的輸出短路保護(hù)。在輸出短路時(shí)，當(dāng)感測(cè)電阻(R{SNS})中的轉(zhuǎn)換器輸入電流上升到足以觸發(fā)比較器A4的45mV閾值時(shí)，LT8342將GATE引腳拉低，立即限制最大短路電感電流，并最終關(guān)閉(M{EXT})。40ms后，芯片會(huì)再次對(duì)GATE引腳充電以開(kāi)啟(M_{EXT})。

五、元件選擇與PCB布局

1. 電感選擇

在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，占空比可以根據(jù)輸出電壓（(V{OUT})）和輸入電壓（(V{IN})）計(jì)算得出。電感紋波電流(Delta I{L})直接影響電感值的選擇、轉(zhuǎn)換器的最大輸出電流能力和突發(fā)模式下的輕負(fù)載效率。選擇較小的(Delta I{L})值可以增加輸出電流能力和輕負(fù)載效率，但需要較大的電感值并降低電流環(huán)路增益；接受較大的(Delta I{L})值可以提供快速的瞬態(tài)響應(yīng)并允許使用低電感值，但會(huì)導(dǎo)致較高的輸入電流紋波、更大的磁芯損耗、較低的輕負(fù)載效率和較低的輸出電流能力。在高占空比操作下，較大的(Delta I{L})值可能會(huì)導(dǎo)致次諧波振蕩。

2. 輸入電容選擇

升壓轉(zhuǎn)換器的輸入紋波電流相對(duì)較低，輸入電容(C{IN})的電壓額定值應(yīng)舒適地超過(guò)最大輸入電壓。輸入電容的值是源阻抗的函數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，源阻抗越高，所需的輸入電容越大。輸入電容的RMS紋波電流可以通過(guò)公式(I{RMS,CIN}=0.3× Delta I_{L})估算。

3. 輸出電容選擇

輸出電容有兩個(gè)主要功能：一是過(guò)濾LT8342的不連續(xù)頂部開(kāi)關(guān)電流以產(chǎn)生直流輸出，因此在開(kāi)關(guān)頻率下具有低阻抗很重要；二是存儲(chǔ)能量以滿足瞬態(tài)負(fù)載并穩(wěn)定控制環(huán)路。X5R或X7R類型的陶瓷電容器具有非常低的等效串聯(lián)電阻（ESR），可以提供低輸出電壓紋波和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。增加輸出電容可以降低輸出電壓紋波，但可能會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此需要仔細(xì)評(píng)估。

4. PCB布局

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，LT8342需要使用多個(gè)輸出旁路電容器。建議在引腳8的(V{OUT})和引腳7的GND之間連接一個(gè)0.1μF的電容器，在引腳11的(V{OUT})和引腳12的GND之間連接一個(gè)匹配的0.1μF電容器，以完成Silent Switcher EMI消除環(huán)路。這些電容器應(yīng)盡可能靠近芯片放置，并且形成的環(huán)路應(yīng)對(duì)稱且盡可能小，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的EMI消除性能。同時(shí)，SW和BST節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能小，以最小化EMI。

六、典型應(yīng)用案例

1. 低(I_{Q})、低EMI 24V升壓轉(zhuǎn)換器

該應(yīng)用采用SSFM和突發(fā)模式，輸入電壓范圍為3V至20V，輸出電壓為24V。通過(guò)合理選擇元件和優(yōu)化PCB布局，可以實(shí)現(xiàn)低EMI和高效的功率轉(zhuǎn)換。

2. 2MHz、12V升壓轉(zhuǎn)換器

輸入電壓范圍為3V至10V，輸出電壓為12V。在突發(fā)模式下，該轉(zhuǎn)換器在不同輸入電壓和負(fù)載電流下都能保持較高的效率。

3. 500kHz、36V低(I_{Q})升壓轉(zhuǎn)換器

具有輸出短路保護(hù)功能，輸入電壓范圍為3V至24V，輸出電壓為36V。在突發(fā)模式下，能夠在不同負(fù)載電流下提供穩(wěn)定的輸出。

4. 汽車2MHz預(yù)升壓轉(zhuǎn)換器

適用于汽車啟停和冷啟動(dòng)應(yīng)用，輸入電壓范圍為3V至40V，輸出電壓為10V，具備短路保護(hù)功能。在突發(fā)模式下，能夠在不同輸入電壓和負(fù)載電流下保持高效的功率轉(zhuǎn)換。

七、總結(jié)

LT8342作為一款高性能的同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，憑借其低EMI、寬輸入輸出電壓范圍、低靜態(tài)電流、高功率開(kāi)關(guān)集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，為電子工程師在設(shè)計(jì)汽車電子、工業(yè)電源等應(yīng)用時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。通過(guò)合理選擇元件和優(yōu)化PCB布局，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨根據(jù)具體需求對(duì)其進(jìn)行深入研究和實(shí)踐，相信它會(huì)給你的設(shè)計(jì)帶來(lái)意想不到的效果。你在使用類似的DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。