深入剖析LTC7825：高性能開關(guān)電容DC/DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器是至關(guān)重要的組件，它能高效地實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，采用開關(guān)電容架構(gòu)，在輸入輸出電壓比為2:1的應(yīng)用中能實(shí)現(xiàn)極高的效率。它具有諸多出色的特性，適用于消費(fèi)電子、工業(yè)應(yīng)用以及電池應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域。

特性亮點(diǎn)

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(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
2. 高效率：在10A負(fù)載下效率高達(dá)97%，大大降低了能量損耗，提高了系統(tǒng)的整體效率。
3. 保護(hù)功能齊全：具備輸入過壓保護(hù)、輸入輸出短路保護(hù)、浪涌電流限制和保護(hù)等功能，有效保障了電路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
4. 可編程工作頻率：工作開關(guān)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(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)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(yīng)用提供了廣闊的空間。

電流參數(shù)

在正常工作時(shí)，(V{CC}) 電源電流在不同條件下有所不同，如(V{RUN } = 0V) 時(shí)為20μA，(V{RUN } = 5V) 且無開關(guān)操作時(shí)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(duì)于電路的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估至關(guān)重要。

其他參數(shù)

包括MOSFET導(dǎo)通電阻、振蕩器頻率范圍、故障和滯回編程相關(guān)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?jī)蓚€(gè)MOSFET的導(dǎo)通電阻(R{DS(ON)1,2}) 典型值為8mΩ，底部?jī)蓚€(gè)MOSFET的導(dǎo)通電阻(R{DS(ON) 3,4}) 典型值為6mΩ，(V{OUT}) MOSFET的導(dǎo)通電阻(R{DS(ON) 5}) 典型值為2.5mΩ，低導(dǎo)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(gè)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(guān)電容轉(zhuǎn)換器的高側(cè)和低側(cè)電壓輸入，通過連接合適的電容可以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。
2. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳：SWH和SWL為高側(cè)和低側(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，連接到飛跨電容，用于實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。
3. 控制和信號(hào)引腳：RUN引腳用于數(shù)字運(yùn)行控制，控制轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)和關(guān)閉；FREQ引腳用于設(shè)置工作頻率；FAULT引腳為開漏輸出，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)被拉低。
4. 電源和偏置引腳：(V{CC}) 為驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)部充電電路提供電源，(INTV{CC}) 為內(nèi)部線性低壓差穩(wěn)壓器的輸出，為驅(qū)動(dòng)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(shí)為(INTV{CC}) 供電。

四、工作原理

主控制

LTC7825是一款恒頻、開環(huán)開關(guān)電容/電荷泵轉(zhuǎn)換器。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部開關(guān)不斷導(dǎo)通和關(guān)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(guān)頻率下具有極低的輸出阻抗，對(duì)可變負(fù)載不敏感。

電源供應(yīng)

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

啟動(dòng)和關(guān)閉

當(dāng)RUN引腳被拉低時(shí)，LTC7825進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，此時(shí)大多數(shù)內(nèi)部電路關(guān)閉，功耗小于30μA。釋放RUN引腳后，內(nèi)部1μA電流將該引腳拉高，使轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)。

故障保護(hù)和熱關(guān)斷

LTC7825會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)停止開關(guān)操作并將FAULT引腳拉低。要清除故障，需要滿足相應(yīng)的條件，如(V{LOW}) 電壓在(V{HIGH} / 2) 附近的編程窗口內(nèi)，(V_{HIGH}) 電壓低于26V等。

過流保護(hù)

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，(V{LOW}) 電壓會(huì)隨著負(fù)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(shè)置過流保護(hù)。當(dāng)觸發(fā)過流故障時(shí)，LTC7825會(huì)停止開關(guān)操作并嘗試重新啟動(dòng)。

頻率選擇

開關(guān)頻率的選擇需要在效率和組件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。低頻操作可以通過減少M(fèi)OSFET開關(guān)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(zhuǎn)換器的工作頻率編程為100kHz到1.4MHz。

五、應(yīng)用信息

典型應(yīng)用電路

數(shù)據(jù)手冊(cè)首頁的典型應(yīng)用是一個(gè)LTC7825電壓 divider電路，該電路能將(V{HIGH}) 電壓以2:1的降壓比轉(zhuǎn)換為(V{LOW}) 電壓，并在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)提供12A的負(fù)載電流。在過流或啟動(dòng)條件下，轉(zhuǎn)換器會(huì)自動(dòng)將(V_{HIGH}) 電源峰值電流限制為200mA，以實(shí)現(xiàn)熱保護(hù)。

電壓預(yù)平衡

在電壓分壓應(yīng)用中，LTC7825可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，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(huì)在內(nèi)部預(yù)充電到(V{HIGH}) 電壓的一半，啟動(dòng)時(shí)的預(yù)充電電流約為200mA。通過TIMER引腳可以控制預(yù)充電時(shí)間，預(yù)充電僅在(0.5 < V_{TIMER } < 1.0 V) 時(shí)啟用。

窗口比較器編程

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，(V{LOW}) 電壓應(yīng)始終接近(V{HIGH} / 2)。浮動(dòng)窗口比較器會(huì)監(jiān)測(cè)(V{LOW}) 引腳的電壓，并將其與(V{HIGH} / 2) 進(jìn)行比較。窗口滯回電壓可以通過HYS_PRGM引腳進(jìn)行編程，其值等于HYS_PRGM引腳電壓的五分之一。

輸出電阻和負(fù)載調(diào)節(jié)

LTC7825不通過反饋閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸出電壓，但在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，(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(guān)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(gè)PMOS LDO，從(V{CC}) 電源為(INTV{CC}) 供電。(EXTV{CC}) 通過另一個(gè)PMOS LDO連接到(INTV{CC})，當(dāng)(EXTV{CC}) 電壓高于5V且(V{CC}) 高于6V時(shí)，可以提供所需的電源。兩個(gè)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(qū)動(dòng)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(guān)電容應(yīng)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(fù)載電流的一半，需要根據(jù)最大負(fù)載條件進(jìn)行選擇。

PCB布局檢查

在進(jìn)行PCB布局時(shí)，需要確保暴露焊盤(SGND / N{LOW } N{OUT }) 與PCB上的相應(yīng)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?qū)捯蕴幚泶筘?fù)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(shè)計(jì)示例

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

1. 開關(guān)頻率選擇：開關(guān)頻率的選擇需要在開關(guān)損耗和解決方案尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。在大多數(shù)應(yīng)用中，最佳開關(guān)頻率約為300kHz - 600kHz，因此選擇500kHz作為起始點(diǎn)。
2. 飛跨電容選擇：選擇飛跨電容時(shí)，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(jì)算得到(C{FLY} = 100 μF)。考慮到陶瓷電容在10V直流偏置電壓下的電容降額，選擇十二個(gè)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(jié)

LTC7825是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的開關(guān)電容DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有寬電壓范圍、高效率、多種保護(hù)功能和可編程工作頻率等優(yōu)點(diǎn)。通過合理的設(shè)計(jì)和布局，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，仔細(xì)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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。