LT8708：高性能4開關(guān)升降壓控制器的深度解析與應(yīng)用

在電子工程師的日常工作里，一款性能卓越的DC/DC控制器往往能起到事半功倍的效果。今天，我們就來深入探討一下LT8708這款高性能4開關(guān)升降壓控制器，看看它有哪些獨(dú)特之處以及如何在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用。

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一、LT8708概述

LT8708是一款具備雙向電流和功率流動(dòng)功能的高性能4開關(guān)升降壓控制器。它的輸入電壓可以高于、低于或等于輸出電壓，這種靈活性使其在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中都能大顯身手。該芯片具有六項(xiàng)獨(dú)立的調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)斎胼敵龅碾妷汉碗娏鬟M(jìn)行精確控制，無論是正向還是反向的電流和功率流動(dòng)都能輕松應(yīng)對(duì)。它還支持同步整流，效率高達(dá)99%，并且有40引腳（5mm × 8mm）QFN和64引腳（10mm × 10mm）eLQFP兩種封裝可供選擇，滿足不同的應(yīng)用需求，同時(shí)通過了AEC - Q100認(rèn)證，可用于汽車應(yīng)用。

二、主要特性分析

2.1 單電感設(shè)計(jì)

單電感的設(shè)計(jì)使得輸入電壓（(V{IN})）可以高于、低于或等于輸出電壓（(V{OUT})），大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。在不同的電壓條件下，它都能穩(wěn)定工作，為工程師提供了更多的設(shè)計(jì)靈活性。

2.2 六項(xiàng)獨(dú)立調(diào)節(jié)

六項(xiàng)獨(dú)立的調(diào)節(jié)功能分別針對(duì)(V{IN})電流（正向和反向）、(V{OUT})電流（正向和反向）以及(V{IN})和(V{OUT})電壓。這意味著我們可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。例如，在電池備份系統(tǒng)中，我們可以通過調(diào)節(jié)輸入輸出電流和電壓，確保電池的充電和放電過程安全高效。

2.3 雙向連續(xù)和不連續(xù)傳導(dǎo)模式

支持正向和反向的不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM），這在輕載情況下可以提高效率。同時(shí)，還能在不同模式下切換，根據(jù)實(shí)際的負(fù)載情況選擇最合適的工作模式，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。

2.4 寬輸入輸出電壓范圍

(V{IN})范圍為2.8V（需要(EXTV{CC}>6.4V)）到80V，(V_{OUT})范圍為1.3V到80V，如此寬的電壓范圍使得它能夠適配大多數(shù)太陽能、汽車、電信和電池供電系統(tǒng)。無論是高電壓還是低電壓的應(yīng)用場(chǎng)景，LT8708都能輕松勝任。

2.5 同步整流

同步整流技術(shù)的應(yīng)用使得效率最高可達(dá)99%，這對(duì)于提高系統(tǒng)的整體能效至關(guān)重要。在能源日益寶貴的今天，高效的電源轉(zhuǎn)換能夠降低功耗，減少散熱需求，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

三、引腳功能詳解

LT8708的引腳功能豐富多樣，每個(gè)引腳都在電路中扮演著重要的角色。

3.1 時(shí)鐘與同步相關(guān)引腳

• CLKOUT（Pin 1/Pin 63）：時(shí)鐘輸出引腳?？梢杂脕硗揭粋€(gè)或多個(gè)兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器IC，其頻率與內(nèi)部振蕩器或SYNC引腳相同，但相位大約相差180°。此外，該引腳的占空比與芯片的結(jié)溫呈線性關(guān)系，還可以作為溫度監(jiān)測(cè)引腳使用，并且可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)200pF的電容負(fù)載。
• SYNC（Pin 14/Pin 14）：用于將開關(guān)頻率同步到外部時(shí)鐘。只需要給這個(gè)引腳輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)即可，時(shí)鐘信號(hào)的高電平需要超過1.3V，低電平應(yīng)小于0.5V。當(dāng)將該引腳驅(qū)動(dòng)到小于0.5V時(shí)，芯片將恢復(fù)到內(nèi)部自由運(yùn)行的時(shí)鐘模式。

3.2 電壓反饋與監(jiān)測(cè)引腳

• FBIN（Pin 8/Pin 8）：(V{IN})反饋引腳。連接到誤差放大器EA3的輸入端，用于檢測(cè)和調(diào)節(jié)低(V{IN})電壓。通過合理設(shè)置反饋電路，可以精確控制輸入電壓，確保系統(tǒng)在不同的輸入電壓條件下都能穩(wěn)定工作。
• FBOUT（Pin 9/Pin 9）：(V{OUT})反饋引腳。連接到誤差放大器EA4的輸入端，用于檢測(cè)和調(diào)節(jié)高(V{OUT})電壓。同樣，通過反饋電路的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。
• VINHIMON（Pin 27/Pin 39）：(V{IN})高電壓監(jiān)測(cè)引腳。連接一個(gè)±1%的電阻分壓器，可以設(shè)置(V{IN})的過電壓水平。當(dāng)(V{IN})高于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，通過拉低RVSOFF引腳來禁用反向傳導(dǎo)，防止電流流入(V{IN})，起到保護(hù)作用。
• VOUTLOMON（Pin 26/Pin 38）：(V{OUT})低電壓監(jiān)測(cè)引腳。連接電阻分壓器可設(shè)置(V{OUT})的欠電壓水平。當(dāng)(V{OUT})低于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，禁用反向傳導(dǎo)，防止從(V{OUT})吸取電流，保護(hù)負(fù)載和電池。

3.3 電流監(jiān)測(cè)與限制引腳

• IMON_INP（Pin 11/Pin 11）：正向(V{IN})電流監(jiān)測(cè)和限制引腳。該引腳輸出的電流是20μA加上與正向平均(V{IN})電流成比例的電流。通過連接到誤差放大器EA5，可以限制最大正向(V_{IN})電流，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
• IMON_INN（Pin 12/Pin 12）：反向(V{IN})電流監(jiān)測(cè)和限制引腳。與IMON_INP類似，用于監(jiān)測(cè)和限制反向(V{IN})電流。
• ICP（Pin 28/Pin 40）：正向(V_{OUT})電流監(jiān)測(cè)引腳。輸出電流與IMON_OP類似，但在特定的工作模式下有不同的表現(xiàn)。通常需要連接一個(gè)17.4k的電阻到地。
• ICN（Pin 6/Pin 6）：反向(V{OUT})電流監(jiān)測(cè)引腳。同樣需要連接一個(gè)17.4k的電阻到地，用于監(jiān)測(cè)反向(V{OUT})電流。

3.4 開關(guān)控制與使能引腳

• SHDN（Pin 3/Pin 3）： shutdown引腳。將其拉高可以使能芯片，接地則可以關(guān)閉芯片并將靜態(tài)電流降至最低。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以通過控制這個(gè)引腳來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能管理。
• SWEN（Pin 36/Pin 58）：開關(guān)穩(wěn)壓器使能引腳。需要通過一個(gè)電阻拉高來使能開關(guān)。當(dāng)該引腳電壓低于激活閾值時(shí)，芯片上的電流檢測(cè)電路將被禁用。在啟動(dòng)過程中，這個(gè)引腳起到了關(guān)鍵的控制作用。
• MODE（Pin 37/Pin 59）：傳導(dǎo)模式選擇引腳。通過施加不同的電壓，可以選擇連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）、混合傳導(dǎo)模式（HCM）、不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）或Burst Mode操作。根據(jù)不同的負(fù)載情況和效率要求，選擇合適的傳導(dǎo)模式可以優(yōu)化系統(tǒng)性能。
• DIR（Pin 7/Pin 7）：方向引腳。在MODE設(shè)置為DCM或HCM操作時(shí)使用，用于選擇功率流動(dòng)的方向。連接到GND時(shí)，功率從(V{OUT})流向(V{IN})；連接到LDO33時(shí)，功率從(V{IN})流向(V{OUT})。

四、工作模式與操作原理

4.1 啟動(dòng)過程

啟動(dòng)過程分為多個(gè)階段，主要由SHDN和SWEN引腳控制。當(dāng)SHDN引腳電壓低于0.35V（LT8708E、LT8708I）或0.3V（LT8708H）時(shí)，芯片處于禁用狀態(tài)，靜態(tài)電流最小。當(dāng)SHDN電壓高于1.221V時(shí)，(INTV_{CC})和LDO33調(diào)節(jié)器被啟用，但開關(guān)穩(wěn)壓器尚未啟動(dòng)。接下來，需要將SWEN引腳通過電阻拉高，使其電壓超過激活閾值（典型值為1.208V），開關(guān)穩(wěn)壓器才能正式啟動(dòng)。在啟動(dòng)過程中，還涉及到軟啟動(dòng)階段，通過緩慢升高SS引腳的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電感電流和輸出電壓的平滑控制，避免電流沖擊。

4.2 控制概述

LT8708是一款電流模式控制器，它通過內(nèi)部的六個(gè)誤差放大器（EA1 - EA6）來控制(V{C})引腳的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電感電流和功率流動(dòng)的精確控制。這六個(gè)誤差放大器分別用于限制或調(diào)節(jié)不同的電壓和電流參數(shù)，如正向和反向的(V{IN})電流、(V{OUT})電流以及(V{IN})和(V_{OUT})電壓。通過合理設(shè)置這些誤差放大器的參數(shù)，我們可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。

4.3 功率開關(guān)控制

根據(jù)輸入輸出電壓的關(guān)系，LT8708可以工作在降壓、升壓和升降壓三種模式下。在不同的模式下，功率開關(guān)的控制方式也有所不同。

4.3.1 降壓模式（(V{IN} gg V{OUT})）

在降壓模式下，M3開關(guān)始終關(guān)閉，M4開關(guān)始終打開。在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，同步開關(guān)M2先打開，通過放大器A4檢測(cè)電感電流，并添加斜坡補(bǔ)償信號(hào)后與(V_{C})引腳的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)檢測(cè)到的電感電流低于參考值時(shí)，M2開關(guān)關(guān)閉，M1開關(guān)打開，直到周期結(jié)束。這樣，M1和M2開關(guān)交替工作，實(shí)現(xiàn)了降壓功能。

4.3.2 升降壓模式（(V{IN} cong V{OUT})）

在升降壓模式下，工作過程較為復(fù)雜。如果控制器從M2和M4開關(guān)打開開始，先按降壓模式工作。當(dāng)A5觸發(fā)時(shí)，M2開關(guān)關(guān)閉，M1開關(guān)打開，直到時(shí)鐘周期的中間。然后，M4開關(guān)關(guān)閉，M3開關(guān)打開，按升壓模式工作，直到A2觸發(fā)。最后，M3開關(guān)關(guān)閉，M4開關(guān)打開，直到周期結(jié)束。反之，如果從M1和M3開關(guān)打開開始，則先按升壓模式工作，再按降壓模式工作。

4.3.3 升壓模式（(V{IN} ll V{OUT})）

在升壓模式下，M1開關(guān)始終打開，M2開關(guān)始終關(guān)閉。在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，M3開關(guān)先打開，檢測(cè)電感電流并添加斜坡補(bǔ)償信號(hào)后與(V_{C})引腳的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)電感電流高于參考值時(shí)，M3開關(guān)關(guān)閉，M4開關(guān)打開，直到周期結(jié)束。M3和M4開關(guān)交替工作，實(shí)現(xiàn)升壓功能。

4.4 單向和雙向傳導(dǎo)模式

LT8708具有一種雙向傳導(dǎo)模式（CCM）和三種單向傳導(dǎo)模式（DCM、HCM和Burst Mode）。雙向傳導(dǎo)模式允許電流和功率在(V{IN})和(V{OUT})之間雙向流動(dòng)，由(V_{C})引腳控制。單向傳導(dǎo)模式則只允許電流和功率在一個(gè)方向上流動(dòng)，通過MODE和DIR引腳進(jìn)行選擇。例如，在DCM和HCM模式下，通過設(shè)置DIR引腳的電壓可以選擇正向或反向功率流動(dòng)。此外，RVSOFF引腳可以禁用反向電流和功率流動(dòng)，起到保護(hù)作用。

五、外部組件選擇與設(shè)計(jì)

5.1 工作頻率選擇

LT8708的工作頻率可以通過內(nèi)部振蕩器設(shè)置，也可以同步到外部時(shí)鐘源。頻率范圍在100kHz到400kHz之間。選擇合適的工作頻率需要在效率和組件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。較低的頻率可以減少MOSFET的開關(guān)損耗，提高效率，但需要更大的電感和電容來維持低輸出紋波電壓。對(duì)于高功率應(yīng)用，建議選擇較低的頻率以減少M(fèi)OSFET的發(fā)熱?？梢酝ㄟ^在RT引腳到地之間連接一個(gè)合適的電阻來設(shè)置內(nèi)部振蕩器的頻率，也可以將SYNC引腳連接到外部時(shí)鐘源進(jìn)行同步。

5.2 電感選擇

電感的選擇對(duì)于系統(tǒng)性能至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)高效率，應(yīng)選擇具有低磁芯損耗（如鐵氧體）和低直流電阻的電感，以減少(I^{2}R)損耗，并且能夠承受峰值電感電流而不發(fā)生飽和。在選擇電感值時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，如負(fù)載電流、避免次諧波振蕩以及最大電流額定值等。通過相關(guān)的計(jì)算公式，可以確定滿足系統(tǒng)要求的最小電感值。例如，在升壓模式下，為了提供足夠的正向(V_{OUT})電流，需要根據(jù)公式計(jì)算出最小電感值；為了避免次諧波振蕩，也有相應(yīng)的計(jì)算公式來確定電感的最小值。

5.3 功率MOSFET選擇

LT8708需要四個(gè)外部N溝道功率MOSFET，包括兩個(gè)頂部開關(guān)（M1和M4）和兩個(gè)底部開關(guān)（M2和M3）。選擇MOSFET時(shí)，需要考慮擊穿電壓(V{BR, DSS})、閾值電壓(V{GS,TH})、導(dǎo)通電阻(R{DS(ON)})、輸出電容(C{oss})和最大電流(I{DS(MAX)})等參數(shù)。由于門極驅(qū)動(dòng)電壓由6.3V的(GATEV{CC})電源提供，因此必須使用邏輯電平閾值的MOSFET。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮功率損耗問題，過高的功率損耗可能會(huì)導(dǎo)致MOSFET過熱損壞?？梢酝ㄟ^計(jì)算各個(gè)MOSFET在不同工作模式下的功率損耗，選擇合適的MOSFET，并可以考慮使用多個(gè)MOSFET并聯(lián)來降低單個(gè)器件的功率損耗。

5.4 電容選擇

(V{IN})和(V{OUT})電容的作用是抑制開關(guān)電源中不連續(xù)電流引起的電壓紋波。通常采用多個(gè)電容并聯(lián)的方式，以實(shí)現(xiàn)高電容值和低等效串聯(lián)電阻（ESR）。對(duì)于(V{IN})電容，在降壓模式下，不連續(xù)的(V{IN})電流較大，因此需要選擇具有低ESR和足夠容量的電容，以確保能夠處理最大RMS電流，并減少電壓紋波。對(duì)于(V{OUT})電容，在升壓模式下，不連續(xù)的(V{OUT})電流較大，同樣需要低ESR和足夠容量的電容來減少電壓紋波。陶瓷電容具有良好的低ESR特性，可以放置在調(diào)節(jié)器的輸入和輸出端，以抑制高頻開關(guān)尖峰。

5.5 肖特基二極管選擇

肖特基二極管（D1、D2、D3、D4）在正向傳導(dǎo)和反向傳導(dǎo)過程中起到了重要的作用。在功率MOSFET開關(guān)導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，肖特基二極管導(dǎo)通，防止同步開關(guān)的體二極管導(dǎo)通并存儲(chǔ)電荷，從而提高轉(zhuǎn)換器的效率，減少開關(guān)的功率損耗和電感電流檢測(cè)電阻的噪聲。在選擇肖特基二極管時(shí)，對(duì)于高輸入或輸出電壓的應(yīng)用，應(yīng)避免選擇具有過高反向泄漏電流的二極管，特別是在高溫環(huán)境下。同時(shí)，應(yīng)選擇具有較低熱阻的封裝，以減少二極管的自熱。

5.6 頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器電源組件選擇

頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器（TG1和TG2）由浮動(dòng)的自舉電容(C{B1})和(C{B2})供電，這些電容通常通過外部硅二極管(D{B1})和(D{B2})在相應(yīng)的頂部MOSFET關(guān)閉時(shí)充電。電容需要存儲(chǔ)大約100倍于頂部開關(guān)M1和M4所需的柵極電荷。在大多數(shù)應(yīng)用中，0.1μF到0.47μF的X5R或X7R介質(zhì)電容就足夠了。(GATEV{CC})到地的旁路電容應(yīng)至少是(C{B1})或(C{B2})電容的10倍。對(duì)于硅二極管(D{B1})和(D{B2})，建議選擇具有高于(V{IN(MAX)})和(V_{OUT(MAX)})的反向擊穿電壓額定值，并且在最大工作結(jié)溫下反向泄漏電流小于1mA的二極管，以防止熱失控。

六、設(shè)計(jì)示例分析

下面以一個(gè)具體的設(shè)計(jì)示例來說明如何使用LT8708進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

6.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

• (V_{IN})范圍：8V到25V
• (V_{IN})調(diào)節(jié)電壓（由FBIN環(huán)路設(shè)置）：12V
• (V_{OUT})調(diào)節(jié)電壓（由FBOUT設(shè)置）：12V
• (I_{OUT(MAX, FWD)})：5A
• (I_{IN(MAX, RVS)})：3A
• 開關(guān)頻率：150kHz
• 工作模式：CCM
• 最大環(huán)境溫度：60°C

6.2 設(shè)計(jì)步驟

6.2.1 功率流驗(yàn)證

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定Table 6(a)中適用的條件。在這個(gè)設(shè)計(jì)示例中，VINHIMON和VOUTLOMON被禁用，因此需要關(guān)注特定的條件。然后，使用Table 6(b)檢查每個(gè)適用條件下的功率流動(dòng)是否符合預(yù)期。通過這種方式，可以確保在各種輸入輸出電壓條件下，功率能夠按照設(shè)計(jì)要求流動(dòng)。

6.2.2 (R_{T})電阻選擇

根據(jù)所需的開關(guān)頻率