LTC3890-2：高性能雙路同步降壓DC/DC控制器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能往往直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來(lái)深入探討一款備受關(guān)注的電源管理芯片——LTC3890 - 2。

文件下載：LTC3890-2.pdf

一、芯片概述

LTC3890 - 2是一款高性能的雙路同步降壓DC/DC控制器，能夠驅(qū)動(dòng)全N溝道同步功率MOSFET級(jí)。它具有寬輸入電壓范圍（4V至60V，絕對(duì)最大65V），低靜態(tài)電流（單通道開啟時(shí)為50μA），輸出電壓范圍為0.8V至24V。這些特性使得它在汽車、電池供電設(shè)備以及分布式直流電源系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）輸入輸出特性

1. 寬輸入電壓范圍：4V至60V的輸入電壓范圍，使其能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，無(wú)論是電池供電還是中間總線電壓，都能輕松應(yīng)對(duì)。這為設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的靈活性，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的電源。
2. 低靜態(tài)電流：在單通道開啟時(shí)，靜態(tài)電流僅為50μA，這對(duì)于電池供電的設(shè)備來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。低靜態(tài)電流可以有效延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高設(shè)備的續(xù)航能力。
3. 寬輸出電壓范圍：輸出電壓范圍為0.8V至24V，能夠滿足不同負(fù)載的電壓需求。無(wú)論是為微處理器、FPGA還是其他數(shù)字電路供電，都能提供穩(wěn)定的電壓輸出。

（二）控制模式與頻率特性

1. 電流模式控制：采用恒定頻率電流模式架構(gòu)，使得電感電流在短路條件下能夠得到有效限制。這種控制方式可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少過(guò)流對(duì)電路的損害。
2. 相位可鎖頻率：頻率可在75kHz至850kHz之間進(jìn)行鎖相，同時(shí)還支持可編程固定頻率（50kHz至900kHz）。通過(guò)合理選擇頻率，可以在效率和元件尺寸之間找到最佳平衡點(diǎn)。較低的頻率可以降低MOSFET的開關(guān)損耗，提高效率，但需要較大的電感和電容來(lái)維持低輸出紋波電壓；而較高的頻率則可以減小電感和電容的尺寸，但會(huì)增加開關(guān)損耗。
3. 異相控制：兩個(gè)控制器輸出級(jí)異相工作，能夠有效減少輸入電容的ESR引起的功率損耗和噪聲。這種設(shè)計(jì)可以降低輸入電容的RMS電流，從而允許使用更便宜的輸入電容，減少EMI屏蔽要求，提高實(shí)際工作效率。

（三）輕載模式與其他特性

1. 輕載模式選擇：支持連續(xù)、脈沖跳過(guò)或低紋波Burst Mode?操作，用戶可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況選擇合適的工作模式。在輕載時(shí)，選擇Burst Mode可以進(jìn)一步降低功耗，提高效率；而在對(duì)輸出紋波要求較高的場(chǎng)合，可以選擇連續(xù)模式。
2. 可選擇的電流限制：通過(guò)ILIM引腳可以設(shè)置三種不同的最大電流限制閾值，方便工程師根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活調(diào)整。
3. 軟啟動(dòng)與跟蹤功能：獨(dú)立的TRACK/SS引腳可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的軟啟動(dòng)或跟蹤功能。軟啟動(dòng)可以避免在啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的電流沖擊，保護(hù)電路元件；而跟蹤功能則可以使輸出電壓跟隨其他電源的變化，實(shí)現(xiàn)電源的同步啟動(dòng)。
4. Power Good輸出電壓監(jiān)控：PGOOD1和PGOOD2引腳可以監(jiān)控輸出電壓是否在設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)輸出電壓超出±10%的范圍時(shí)，引腳會(huì)被拉低，方便工程師進(jìn)行故障診斷和保護(hù)。

三、工作原理詳解

（一）主控制回路

LTC3890 - 2采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu)，兩個(gè)控制器通道相差180度異相工作。在正常工作時(shí)，每個(gè)外部頂部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觸發(fā)并重置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。誤差放大器將輸出電壓反饋信號(hào)（通過(guò)外部電阻分壓器產(chǎn)生）與內(nèi)部0.800V參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，VFB相對(duì)于參考電壓略有下降，EA會(huì)增加ITH電壓，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)時(shí)鐘周期開始。

（二）電源供應(yīng)

芯片的頂部和底部MOSFET驅(qū)動(dòng)器以及大多數(shù)內(nèi)部電路的電源由INTVCC引腳提供。當(dāng)EXTVCC引腳的電壓低于4.7V時(shí)，VIN LDO從VIN為INTVCC提供5.1V電源；當(dāng)EXTVCC高于4.7V時(shí)，VIN LDO關(guān)閉，EXTVCC LDO開啟，從EXTVCC為INTVCC提供5.1V電源。這種設(shè)計(jì)允許INTVCC的電源來(lái)自高效的外部源，如LTC3890 - 2的開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出之一，從而提高系統(tǒng)的效率。

（三）啟動(dòng)與關(guān)閉

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1.15V以下，該通道的主控制回路將關(guān)閉；將兩個(gè)引腳都拉低至0.7V以下，兩個(gè)控制器和大多數(shù)內(nèi)部電路將被禁用，此時(shí)芯片的靜態(tài)電流僅為14μA。釋放RUN引腳，內(nèi)部小電流會(huì)將引腳拉高以啟用該控制器。RUN1引腳的上拉電流為7μA，RUN2引腳的上拉電流為0.5μA。啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)控制器的輸出電壓由TRACK/SS引腳的電壓控制。當(dāng)TRACK/SS引腳的電壓低于0.8V內(nèi)部參考電壓時(shí)，芯片將VFB電壓調(diào)節(jié)到TRACK/SS引腳電壓，而不是0.8V參考電壓。通過(guò)在TRACK/SS引腳連接外部電容到SGND，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能；通過(guò)連接外部電阻分壓器，可以使輸出電壓跟蹤其他電源的啟動(dòng)。

（四）輕載工作模式

芯片在輕載時(shí)可以選擇進(jìn)入高效的Burst Mode、恒定頻率脈沖跳過(guò)模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。通過(guò)PLLIN/MODE引腳進(jìn)行模式選擇，將其連接到低于0.8V的直流電壓（如SGND）選擇Burst Mode；連接到INTVCC選擇強(qiáng)制連續(xù)模式；連接到大于1.2V且小于INTVCC - 1.3V的直流電壓選擇脈沖跳過(guò)模式。在Burst Mode下，電感的最小峰值電流被設(shè)置為最大感測(cè)電壓的約25%，當(dāng)ITH電壓低于0.425V時(shí)，內(nèi)部睡眠信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，兩個(gè)外部MOSFET關(guān)閉，大部分內(nèi)部電路也關(guān)閉，以降低靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電壓下降時(shí)，控制器將恢復(fù)正常工作。在強(qiáng)制連續(xù)模式下，電感電流在輕載或大瞬態(tài)條件下允許反向，輸出紋波與負(fù)載電流無(wú)關(guān)，但輕載效率低于Burst Mode。在脈沖跳過(guò)模式下，芯片在輕載時(shí)以PWM脈沖跳過(guò)模式工作，保持恒定頻率運(yùn)行，輸出紋波和音頻噪聲較低，低電流效率高于強(qiáng)制連續(xù)模式，但低于Burst Mode。

（五）頻率選擇與鎖相環(huán)

開關(guān)頻率可以通過(guò)FREQ引腳進(jìn)行選擇。如果PLLIN/MODE引腳沒(méi)有外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)REQ引腳可以接地、連接到INTVCC或通過(guò)外部電阻進(jìn)行編程。接地時(shí)選擇350kHz，連接到INTVCC時(shí)選擇535kHz，通過(guò)電阻可以在50kHz至900kHz之間編程。芯片還具有鎖相環(huán)（PLL），可以將內(nèi)部振蕩器同步到連接到PLLIN/MODE引腳的外部時(shí)鐘源。PLL的典型捕獲范圍為55kHz至1MHz，保證在75kHz至850kHz之間鎖定。通過(guò)FREQ引腳設(shè)置自由運(yùn)行頻率接近所需的同步頻率，可以實(shí)現(xiàn)快速鎖相。

（六）多相應(yīng)用

LTC3890 - 2具有CLKOUT和PHASMD引腳，可用于在多相應(yīng)用中與其他控制器IC進(jìn)行級(jí)聯(lián)。CLKOUT引腳的時(shí)鐘輸出信號(hào)可用于同步多相電源解決方案中的額外功率級(jí)，PHASMD引腳用于調(diào)整CLKOUT信號(hào)的相位以及兩個(gè)內(nèi)部控制器之間的相對(duì)相位。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）電流檢測(cè)方案選擇

芯片可以選擇使用DCR（電感電阻）檢測(cè)或低值電阻檢測(cè)。DCR檢測(cè)可以節(jié)省昂貴的電流檢測(cè)電阻，提高功率效率，尤其適用于高電流應(yīng)用；而電流檢測(cè)電阻可以為控制器提供最準(zhǔn)確的電流限制。在選擇時(shí)，需要綜合考慮成本、功耗和精度等因素。

（二）元件選擇

1. 電感選擇：電感值與工作頻率相互關(guān)聯(lián)，較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加MOSFET的開關(guān)和柵極電荷損耗，降低效率。電感值還會(huì)直接影響紋波電流，合理設(shè)置紋波電流可以在輸出電壓紋波和電感尺寸之間找到平衡。同時(shí)，電感的類型也需要根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行選擇，對(duì)于高效率轉(zhuǎn)換器，通常需要使用低損耗的鐵氧體或鉬坡莫合金磁芯。
2. 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)。選擇時(shí)需要考慮導(dǎo)通電阻、米勒電容、輸入電壓和最大輸出電流等因素。肖特基二極管可以在兩個(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。
3. 輸入和輸出電容選擇：輸入電容的選擇由于2相架構(gòu)而簡(jiǎn)化，其最壞情況下的RMS電流可以通過(guò)公式計(jì)算。輸出電容的選擇主要取決于有效串聯(lián)電阻（ESR），輸出紋波可以通過(guò)公式近似計(jì)算。

（三）輸出電壓設(shè)置

輸出電壓通過(guò)外部反饋電阻分壓器進(jìn)行設(shè)置，公式為(V{OUT }=0.8 Vleft(1+frac{R{B}}{R{A}}right))。為了提高頻率響應(yīng)，可以使用前饋電容(C{FF})，同時(shí)需要注意將(V_{FB})線遠(yuǎn)離噪聲源。

（四）跟蹤和軟啟動(dòng)

通過(guò)TRACK/SS引腳可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和跟蹤功能。軟啟動(dòng)通過(guò)在該引腳連接電容到地，利用內(nèi)部1μA電流源對(duì)電容充電，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平滑上升。跟蹤功能則通過(guò)連接外部電阻分壓器，使輸出電壓在啟動(dòng)時(shí)跟蹤其他電源的變化。

（五）INTVCC調(diào)節(jié)器

芯片具有兩個(gè)內(nèi)部P溝道低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），根據(jù)EXTVCC引腳的連接情況，為INTVCC引腳提供5.1V電源。在高輸入電壓應(yīng)用中，需要注意INTVCC電流的供應(yīng)，避免芯片結(jié)溫超過(guò)最大額定值。通過(guò)合理連接EXTVCC引腳，可以提高系統(tǒng)的效率和熱性能。

（六）故障條件處理

在輸出短路到地時(shí)，芯片的峰值電流模式控制架構(gòu)可以限制電感電流。在短路條件下，芯片會(huì)開始周期跳過(guò)以限制短路電流，此時(shí)底部MOSFET將消耗大部分功率。短路紋波電流和平均短路電流可以通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算。

（七）鎖相環(huán)和頻率同步

芯片的內(nèi)部鎖相環(huán)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，控制器2的頂部MOSFET與外部時(shí)鐘相差180度。鎖相環(huán)的工作原理是通過(guò)相位頻率檢測(cè)器、低通濾波器和壓控振蕩器（VCO）來(lái)調(diào)整內(nèi)部振蕩器的頻率和相位，使其與外部時(shí)鐘同步。

（八）最小導(dǎo)通時(shí)間考慮

最小導(dǎo)通時(shí)間是芯片能夠開啟頂部MOSFET的最小時(shí)間，由內(nèi)部時(shí)序延遲和開啟頂部MOSFET所需的柵極電荷決定。在低占空比應(yīng)用中，需要確保最小導(dǎo)通時(shí)間小于(frac{V{OUT }}{V{IN }(f)})，否則控制器會(huì)開始周期跳過(guò)，導(dǎo)致輸出電壓紋波和電流增加。

（九）效率考慮

開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。在LTC3890 - 2電路中，主要的損耗來(lái)源包括IC VIN電流、INTVCC調(diào)節(jié)器電流、(I^{2}R)損耗和頂部MOSFET的過(guò)渡損耗。通過(guò)合理選擇元件和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，可以降低這些損耗，提高系統(tǒng)的效率。

（十）瞬態(tài)響應(yīng)檢查

通過(guò)觀察負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)可以檢查調(diào)節(jié)器的環(huán)路響應(yīng)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生階躍變化時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出電壓的過(guò)沖和振鈴情況，可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。OPTI - LOOP補(bǔ)償可以在寬范圍的輸出電容和ESR值下優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)，ITH引腳可以作為測(cè)試點(diǎn)來(lái)評(píng)估控制環(huán)路的性能。

（十一）PCB布局要點(diǎn)

PCB布局對(duì)于芯片的正常工作至關(guān)重要。在布局時(shí)，需要注意將頂部N溝道MOSFET靠近放置，保持信號(hào)和功率地分開，將VFB引腳的電阻分壓器連接到輸出電容的正端，將SENSE - 和SENSE + 引線一起布線，將INTVCC去耦電容靠近芯片放置，將開關(guān)節(jié)點(diǎn)、頂部柵極節(jié)點(diǎn)和升壓節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)，使用改進(jìn)的星形接地技術(shù)等。同時(shí)，在調(diào)試PCB時(shí)，需要逐步檢查每個(gè)控制器的性能，注意不同工作條件下可能出現(xiàn)的問(wèn)題，如噪聲拾取、環(huán)路補(bǔ)償不足等。

五、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括高效雙路8.5V/3.3V降壓轉(zhuǎn)換器、高效8.5V雙相降壓轉(zhuǎn)換器、高效雙路12V/5V降壓轉(zhuǎn)換器、高效雙路24V/5V降壓轉(zhuǎn)換器、12V SEPIC和3.3V降壓轉(zhuǎn)換器以及高效12V 25A雙相降壓轉(zhuǎn)換器等。這些電路展示了LTC3890 - 2在不同電壓和電流輸出要求下的應(yīng)用，為工程師提供了參考。

六、總結(jié)

LTC3890 - 2是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的雙路同步降壓DC/DC控制器。它具有寬輸入輸出電壓范圍、低靜態(tài)電流、多種控制模式和豐富的保護(hù)功能，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇元件和設(shè)置參數(shù)，注意PCB布局和調(diào)試，以充分發(fā)揮芯片的性能，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源管理。你在使用LTC3890 - 2的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。