深入解析LTC3850 - 2：高性能雙同步降壓開關(guān)控制器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。ADI公司的LTC3850 - 2雙同步降壓開關(guān)控制器，憑借其卓越的性能和豐富的功能，在眾多電源管理方案中脫穎而出。本文將深入剖析LTC3850 - 2的特性、工作原理、應(yīng)用信息以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用這款控制器。

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一、產(chǎn)品特性

1. 雙相控制與低噪聲設(shè)計(jì)

LTC3850 - 2采用雙相180°相位控制器，這種設(shè)計(jì)能夠有效降低所需的輸入電容和電源感應(yīng)噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，這意味著可以減少輸入電容的使用數(shù)量和體積，降低成本的同時(shí)，提高了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

2. 高效節(jié)能

該控制器具有高達(dá)95%的效率，無(wú)論是在輕載還是重載情況下，都能實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。這對(duì)于電池供電的設(shè)備尤為重要，能夠顯著延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間。

3. 精準(zhǔn)輸出電壓控制

±1%的0.8V輸出電壓精度，確保了輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在對(duì)電壓精度要求較高的應(yīng)用中，如精密儀器、通信設(shè)備等，LTC3850 - 2能夠提供可靠的電源支持。

4. 寬輸入電壓范圍

4V至30V的寬輸入電壓范圍，使其能夠適應(yīng)多種電源輸入，包括大多數(shù)電池化學(xué)物質(zhì)和中間總線電壓。這為設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的靈活性，適用于各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

5. 其他特性

還具備可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)電流斜坡或跟蹤、折返輸出電流限制、輸出過(guò)壓保護(hù)、電源良好輸出電壓監(jiān)控等功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

二、工作原理

1. 主控制環(huán)路

LTC3850 - 2是一款恒頻、電流模式的降壓控制器，兩個(gè)通道以180度異相運(yùn)行。在正常工作時(shí)，每個(gè)頂部MOSFET在該通道的時(shí)鐘設(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，該電壓是每個(gè)誤差放大器EA的輸出。VFB引腳接收電壓反饋信號(hào)，與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，VFB相對(duì)于0.8V參考電壓略有下降，導(dǎo)致ITH電壓升高，直到平均電感電流與新的負(fù)載電流匹配。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。

2. 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)，內(nèi)部5V線性穩(wěn)壓器從VIN提供INTVCC電源。如果EXTVCC電壓高于4.7V，5V穩(wěn)壓器關(guān)閉，內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通，連接EXTVCC。使用EXTVCC引腳可以使INTVCC電源從高效的外部源獲取，如LTC3850 - 2的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出之一。

3. 關(guān)機(jī)和啟動(dòng)

兩個(gè)通道可以通過(guò)RUN1和RUN2引腳獨(dú)立關(guān)閉。將任一引腳拉低至1.2V以下，將關(guān)閉該通道的主控制環(huán)路。釋放RUN引腳，內(nèi)部0.5μA電流將拉高引腳，使控制器啟用。啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)控制器的輸出電壓由TK/SS1和TK/SS2引腳控制。當(dāng)TK/SS引腳電壓低于0.8V內(nèi)部參考電壓時(shí)，LTC3850 - 2將VFB電壓調(diào)節(jié)到TK/SS引腳電壓，而不是0.8V參考電壓。這允許通過(guò)連接外部電容到SGND來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

4. 輕載電流操作

LTC3850 - 2可以進(jìn)入高效突發(fā)模式操作、恒頻脈沖跳過(guò)模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。通過(guò)MODE/PLLIN引腳可以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(cè)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電壓降至0.5V以下時(shí)，內(nèi)部睡眠信號(hào)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(hào)變低，控制器恢復(fù)正常操作。

5. 頻率選擇和鎖相環(huán)

開關(guān)頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。LTC3850 - 2的控制器可以通過(guò)FREQ/PLLFLTR引腳選擇開關(guān)頻率，范圍為250kHz至780kHz。此外，該控制器還具有鎖相環(huán)（PLL），可以將內(nèi)部振蕩器同步到連接到MODE/PLLIN引腳的外部時(shí)鐘源。

6. 電源良好指示

PGOOD引腳連接到內(nèi)部N溝道MOSFET的漏極。當(dāng)任一VFB引腳電壓不在0.8V參考電壓的±7.5%范圍內(nèi)時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，將PGOOD引腳拉低。此外，當(dāng)任一RUN引腳低于1.2V或LTC3850 - 2處于軟啟動(dòng)或跟蹤階段時(shí)，PGOOD引腳也會(huì)被拉低。

7. 輸出過(guò)壓保護(hù)

過(guò)壓比較器OV用于防止輸出過(guò)沖（> 7.5%）以及其他可能導(dǎo)致輸出過(guò)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(guò)壓情況消除。

三、應(yīng)用信息

1. 電流感測(cè)方案

LTC3850 - 2可以配置為使用DCR（電感電阻）感測(cè)或低值電阻感測(cè)。DCR感測(cè)在高電流應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗梢怨?jié)省昂貴的電流感測(cè)電阻，并且更節(jié)能。然而，電流感測(cè)電阻為控制器提供了最準(zhǔn)確的電流限制。

2. 電感值計(jì)算

給定所需的輸入和輸出電壓，電感值和工作頻率fOSC直接決定了電感的峰 - 峰紋波電流。為了獲得最高效率，應(yīng)選擇較小的紋波電流，但這需要較大的電感。通常，選擇紋波電流約為IOUT(MAX)的40%作為起點(diǎn)。

3. 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等因素。可選的肖特基二極管在兩個(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。

4. 軟啟動(dòng)和跟蹤

LTC3850 - 2可以通過(guò)電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，也可以跟蹤另一個(gè)通道或外部電源的輸出。軟啟動(dòng)或跟蹤通過(guò)控制輸出斜坡電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不是限制控制器的最大輸出電流。在軟啟動(dòng)或跟蹤階段，電流折返限制被禁用。

5. 輸出電壓跟蹤

通過(guò)TK/SS引腳，LTC3850 - 2允許用戶編程輸出的上升和下降方式?？梢詫?shí)現(xiàn)重合跟蹤或比例跟蹤。重合跟蹤提供更好的輸出調(diào)節(jié)，但需要額外的電阻。

6. INTVCC調(diào)節(jié)器和EXTVCC

LTC3850 - 2具有NPN線性穩(wěn)壓器，從VIN電源為INTVCC供電。EXTVCC通過(guò)P溝道MOSFET連接到INTVCC，當(dāng)EXTVCC電壓高于4.7V時(shí)，可以提供所需的電源。使用EXTVCC可以提高效率并降低結(jié)溫。

7. 頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器電源

外部自舉電容CB連接到BOOST引腳，為頂部MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。CB的值需要是頂部MOSFET總輸入電容的100倍。外部肖特基二極管的反向擊穿電壓必須大于VIN(MAX)。

8. 欠壓鎖定

LTC3850 - 2具有欠壓鎖定功能，通過(guò)精確的UVLO比較器監(jiān)測(cè)INTVCC電壓，當(dāng)INTVCC低于3V時(shí)，鎖定開關(guān)動(dòng)作。此外，還可以通過(guò)監(jiān)測(cè)VIN電源來(lái)檢測(cè)欠壓情況。

9. CIN和COUT選擇

CIN的選擇由于2相架構(gòu)而簡(jiǎn)化，其最壞情況下的RMS電流需求可以通過(guò)公式計(jì)算。COUT的選擇主要由有效串聯(lián)電阻（ESR）決定，輸出紋波可以通過(guò)公式近似計(jì)算。

10. 設(shè)置輸出電壓

LTC3850 - 2的輸出電壓通過(guò)外部反饋電阻分壓器設(shè)置。為了提高頻率響應(yīng)，可以使用前饋電容CFF。

11. 故障條件：電流限制和電流折返

LTC3850 - 2包括電流折返功能，當(dāng)輸出短路到地時(shí)，幫助限制負(fù)載電流。在軟啟動(dòng)或跟蹤階段，電流折返限制被禁用。

12. 鎖相環(huán)和頻率同步

LTC3850 - 2的鎖相環(huán)（PLL）由內(nèi)部電壓控制振蕩器（VCO）和相位檢測(cè)器組成，可以將控制器1的頂部MOSFET的開啟鎖定到外部時(shí)鐘信號(hào)的上升沿。

13. 最小導(dǎo)通時(shí)間考慮

最小導(dǎo)通時(shí)間tON(MIN)是LTC3850 - 2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)小于V OUT / (V IN * f)，以避免控制器開始跳周期。

14. 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%。LTC3850 - 2電路中的主要損耗源包括IC VIN電流、INTVCC調(diào)節(jié)器電流、I2R損耗和頂部MOSFET過(guò)渡損耗。通過(guò)合理選擇組件和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高效率。

15. 檢查瞬態(tài)響應(yīng)

調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)可以通過(guò)負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)檢查。在負(fù)載階躍發(fā)生時(shí)，Vout會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)Vout和ITH引腳的信號(hào)，可以評(píng)估環(huán)路的穩(wěn)定性和性能。

16. PC板布局檢查清單

在布局印刷電路板時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：頂部N溝道MOSFET應(yīng)靠近放置，信號(hào)和功率地應(yīng)分開，VFB和ITH跡線應(yīng)盡可能短，SENSE +和SENSE - 引線應(yīng)一起布線，INTVCC去耦電容應(yīng)靠近IC放置，開關(guān)節(jié)點(diǎn)和敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)應(yīng)分開等。

17. PC板布局調(diào)試

調(diào)試時(shí)，應(yīng)先單獨(dú)測(cè)試每個(gè)控制器，使用DC - 50MHz電流探頭監(jiān)測(cè)電感電流，檢查輸出開關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出電壓。在檢查每個(gè)控制器的性能后，再同時(shí)開啟兩個(gè)控制器。

四、設(shè)計(jì)示例

以一個(gè)兩通道中電流調(diào)節(jié)器為例，假設(shè)VIN = 12V（標(biāo)稱），VIN = 20V（最大），VOUT1 = 3.3V，VOUT2 = 1.8V，IMAX1,2 = 5A，f = 500kHz。通過(guò)計(jì)算可以確定輸出電壓、電感值、等效RSENSE電阻值、DCR感測(cè)濾波器/分壓器值等參數(shù)。選擇合適的組件，如電感、MOSFET、電容等，以實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換。

五、典型應(yīng)用

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括不同輸入電壓、輸出電壓和電流的轉(zhuǎn)換器，如3.3V/5A、5V/5A轉(zhuǎn)換器，2.5V/15A、1.8V/15A轉(zhuǎn)換器等。這些應(yīng)用電路為工程師提供了實(shí)際的設(shè)計(jì)參考。

六、總結(jié)

LTC3850 - 2是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的雙同步降壓開關(guān)控制器。它具有雙相控制、高效節(jié)能、精準(zhǔn)輸出電壓控制等眾多優(yōu)點(diǎn)，適用于筆記本電腦、便攜式儀器、電池供電的數(shù)字設(shè)備等多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體需求選擇合適的電流感測(cè)方案、電感值、功率MOSFET等組件，并注意PC板布局和調(diào)試，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)深入理解LTC3850 - 2的工作原理和應(yīng)用信息，工程師可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的電源管理系統(tǒng)。

大家在使用LTC3850 - 2進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有沒有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。