LT8350S：高性能同步降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與應(yīng)用

一、引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。LT8350S作為一款具有卓越性能的同步降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，憑借其獨(dú)特的架構(gòu)和豐富的功能，在汽車、工業(yè)、電信等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文將深入剖析LT8350S的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用設(shè)計等方面，為電子工程師提供全面的設(shè)計參考。

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二、產(chǎn)品概述

2.1 主要特性

• 4開關(guān)單電感架構(gòu)：允許輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了靈活的電壓轉(zhuǎn)換。
• Silent Switcher? 2架構(gòu)：有效降低電磁干擾（EMI），適用于對EMI要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景。
• 高效率：在2MHz的開關(guān)頻率下，效率可達(dá)95%，有助于降低功耗。
• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為3V - 40V，輸出電壓范圍為1V - 18V，滿足多種應(yīng)用需求。
• 精準(zhǔn)的電壓和電流調(diào)節(jié)：輸出電壓調(diào)節(jié)精度為±1.5%，并具備輸出/輸入電流調(diào)節(jié)和監(jiān)測功能。
• 其他特性：包括高側(cè)PMOS負(fù)載開關(guān)驅(qū)動、固定開關(guān)頻率（200kHz - 2MHz）、外部頻率同步和擴(kuò)頻頻率調(diào)制（SSFM）等。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 汽車、工業(yè)、電信系統(tǒng)：為這些系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。
• 高精度電流限制的電壓調(diào)節(jié)器：確保系統(tǒng)在不同負(fù)載下的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 高頻電池供電系統(tǒng)：適用于對電源效率和體積要求較高的電池供電設(shè)備。
• USB Power Delivery（USB - PD）源：滿足USB - PD協(xié)議的電源需求。

三、電氣特性

3.1 輸入輸出特性

• 輸入電壓范圍：在 - 40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)，輸入電壓范圍為3V - 40V。
• 輸入關(guān)機(jī)電流：當(dāng)EN/UVLO引腳電壓為0.3V時，輸入關(guān)機(jī)電流典型值為2μA，最大值為5μA。
• 輸入活動電流：在不同條件下，輸入活動電流有所不同，如EN/UVLO = 1.5V，EXTVCC = 0V時，典型值為3.5mA，最大值為5mA。
• 輸出電壓范圍：同樣在 - 40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)，輸出電壓范圍為1V - 18V。

3.2 線性調(diào)節(jié)器特性

• INTVCC調(diào)節(jié)電壓：當(dāng)IINTVCC = 20mA時，調(diào)節(jié)電壓典型值為3.6V，范圍在3.4V - 3.8V之間。
• VREF調(diào)節(jié)電壓：在 - 40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)IVREF = 100μA時，調(diào)節(jié)電壓典型值為2.00V，范圍在1.99V - 2.03V之間。

3.3 電流和電壓調(diào)節(jié)特性

• 全量程電流調(diào)節(jié)：在不同條件下，全量程電流調(diào)節(jié)電壓典型值為100mV，范圍在97mV - 103mV之間。
• FB調(diào)節(jié)電壓：在 - 40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)VC = 0.8V時，F(xiàn)B調(diào)節(jié)電壓典型值為1.00V，范圍在0.985V - 1.015V之間。

3.4 其他特性

• 開關(guān)電流限制：峰值升壓電流模式下，最大開關(guān)電流限制典型值為7.0A，范圍在6.3A - 7.7A之間；峰值降壓電流模式下，典型值為7.0A，范圍在5.8A - 8.0A之間。
• 開關(guān)導(dǎo)通電阻：不同開關(guān)的導(dǎo)通電阻在不同電流下有相應(yīng)的典型值，如開關(guān)A和B在ISW = 1A時，導(dǎo)通電阻典型值為50mΩ。

四、絕對最大額定值和ESD特性

4.1 絕對最大額定值

• 各引腳的電壓范圍有明確限制，如VIN、EN/UVLO、ISP、ISN引腳的電壓范圍為 - 0.3V至42V，VOUT、EXTVCC引腳的電壓范圍為 - 0.3V至20V等。
• 工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至125°C，存儲溫度范圍為 - 65°C至150°C。

4.2 ESD特性

• 人體模型（HBM）的ESD耐受閾值為±4000V，充電設(shè)備模型（CDM）的ESD耐受閾值為±1250V。在使用過程中，需采取適當(dāng)?shù)腅SD防護(hù)措施，以避免芯片受損。

五、典型工作特性

5.1 效率與負(fù)載電流關(guān)系

通過不同區(qū)域（降壓、降壓 - 升壓、升壓）的效率與負(fù)載電流曲線，可以看出在不同負(fù)載情況下的效率變化。在輕負(fù)載時，可通過配置使芯片工作在強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式或不連續(xù)傳導(dǎo)模式，以提高效率。

5.2 其他特性曲線

還給出了如VIN關(guān)機(jī)電流、VIN活動電流、VREF電壓與溫度的關(guān)系，以及其他參數(shù)隨溫度或其他變量的變化曲線，這些曲線有助于工程師在不同工作條件下準(zhǔn)確評估芯片性能。

六、引腳配置和功能描述

6.1 引腳配置

LT8350S采用32引腳LQFN封裝，各引腳具有不同的功能，如VIN為輸入電壓引腳，EN/UVLO為使能和欠壓鎖定引腳，INTVCC為內(nèi)部3.6V線性調(diào)節(jié)器輸出引腳等。

6.2 引腳功能

每個引腳都有其特定的功能和使用注意事項(xiàng)，例如EN/UVLO引腳可用于控制芯片的開關(guān)機(jī)，LOADEN引腳可控制高側(cè)PMOS負(fù)載開關(guān)的通斷等。工程師在設(shè)計時需根據(jù)具體需求合理連接和使用這些引腳。

七、工作原理

7.1 整體架構(gòu)

LT8350S是一款電流模式DC/DC轉(zhuǎn)換器，通過四個內(nèi)部低電阻N溝道雙擴(kuò)散金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體（DMOS）開關(guān)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。內(nèi)部高側(cè)柵極驅(qū)動器簡化了設(shè)計過程，采用ADI專有的峰值電流模式控制方案，可實(shí)現(xiàn)降壓、降壓 - 升壓和升壓區(qū)域之間的平滑過渡。

7.2 功率開關(guān)控制

根據(jù)輸入電壓與輸出電壓的比值，芯片有四種工作狀態(tài)：

• 峰值降壓 - 降壓區(qū)域：當(dāng)VIN遠(yuǎn)高于VOUT時，開關(guān)C始終關(guān)閉，開關(guān)D始終打開，開關(guān)A和B交替工作，類似于典型的同步降壓調(diào)節(jié)器。
• 峰值降壓 - 降壓 - 升壓區(qū)域：當(dāng)VIN略高于VOUT時，開關(guān)C在每個周期的前20%打開，開關(guān)D在剩余80%打開，開關(guān)A和B根據(jù)電感電流情況交替工作。
• 峰值升壓 - 降壓 - 升壓區(qū)域：當(dāng)VIN略低于VOUT時，開關(guān)A在每個周期的前80%打開，開關(guān)B在剩余20%打開，開關(guān)C和D根據(jù)電感電流情況交替工作。
• 峰值升壓 - 升壓區(qū)域：當(dāng)VIN遠(yuǎn)低于VOUT時，開關(guān)A始終打開，開關(guān)B始終關(guān)閉，開關(guān)C和D交替工作，類似于典型的同步升壓調(diào)節(jié)器。

7.3 主控制環(huán)路

芯片通過直接感測內(nèi)部開關(guān)A上的電感電流，并將其與內(nèi)部振蕩器的斜坡補(bǔ)償信號相加，然后輸入到降壓電流比較器A1和升壓電流比較器A2的正端。A1和A2的負(fù)端由VC引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA1和EA2的二極管或輸出。根據(jù)峰值降壓或峰值升壓電流模式控制狀態(tài)，由降壓邏輯或升壓邏輯控制四個功率開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)FB電壓調(diào)節(jié)到1V或ISP和ISN引腳之間的電流感測電壓由CTRL引腳調(diào)節(jié)。

7.4 輕負(fù)載電流操作

在輕負(fù)載時，芯片可配置為強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式或不連續(xù)傳導(dǎo)模式。在不連續(xù)傳導(dǎo)模式下，通過設(shè)置正的降壓和升壓反向電流感測閾值，防止輸出到輸入的反向電流。當(dāng)負(fù)載進(jìn)一步降低或使用較小電感時，芯片可能進(jìn)入脈沖跳過模式。

7.5 內(nèi)部充電路徑

兩個高側(cè)柵極驅(qū)動器分別由其浮動自舉電容CBST1和CBST2偏置，當(dāng)?shù)撞抗β书_關(guān)打開時，通過集成自舉二極管D1和D2由INTVCC對其進(jìn)行充電。在芯片僅在降壓或升壓區(qū)域工作時，內(nèi)部充電路徑可確保自舉電容充電到3.3V以上，以保持頂部功率開關(guān)導(dǎo)通。

7.6 關(guān)機(jī)和上電復(fù)位

當(dāng)EN/UVLO引腳電壓低于關(guān)機(jī)閾值（最小值0.3V）時，芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，靜態(tài)電流小于2μA（典型值）。當(dāng)EN/UVLO引腳電壓高于關(guān)機(jī)閾值（最大值0.9V）時，芯片喚醒啟動電路，生成帶隙參考，并為內(nèi)部INTV LDO供電。當(dāng)INTV引腳電壓高于上升的UVLO閾值（典型值2.52V），EN/UVLO引腳通過上升使能閾值（典型值1.235V），且結(jié)溫低于熱關(guān)斷溫度（典型值165°C）時，芯片進(jìn)入使能模式，經(jīng)過上電復(fù)位（POR）后，等待CTRL和LOADEN引腳信號開始開關(guān)操作。

7.7 啟動和故障保護(hù)

芯片的啟動和故障保護(hù)過程較為復(fù)雜，通過SS引腳和其他信號的配合，實(shí)現(xiàn)軟啟動和故障檢測、處理。在不同狀態(tài)下，芯片會根據(jù)SS引腳電壓和其他條件進(jìn)行相應(yīng)的操作，如在輸出短路情況下，可通過連接不同電阻設(shè)置打嗝、鎖存關(guān)閉或持續(xù)運(yùn)行的故障保護(hù)模式。

八、應(yīng)用設(shè)計指南

8.1 開關(guān)頻率選擇

開關(guān)頻率的選擇是效率和元件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作可降低MOSFET開關(guān)損耗，提高效率，但需要更大的電感和電容值；高頻操作可減小總解決方案尺寸，適用于低功率應(yīng)用。在噪聲敏感系統(tǒng)中，需選擇合適的開關(guān)頻率以避免干擾敏感頻段。

8.2 開關(guān)頻率設(shè)置

通過將SYNC/MODE引腳拉低至地，并連接一個從RT引腳到地的電阻來設(shè)置開關(guān)頻率。文檔提供了常見開關(guān)頻率對應(yīng)的RT電阻值表。

8.3 擴(kuò)頻頻率調(diào)制

LT8350S采用三角形擴(kuò)頻頻率調(diào)制方案，通過將SYNC/MODE引腳連接到INTVcc，可將開關(guān)頻率在內(nèi)部振蕩器頻率基礎(chǔ)上擴(kuò)展23%（典型值），從而改善EMI性能。

8.4 頻率同步和操作模式選擇

芯片的開關(guān)頻率可通過SYNC/MODE引腳與外部時鐘同步，推薦使用10% - 90%占空比的波形驅(qū)動該引腳。SYNC/MODE引腳還有四種可選模式，可根據(jù)不同需求優(yōu)化性能。

8.5 最大輸出電流

芯片為恒壓、恒流和降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓可調(diào)節(jié)至電流限制閾值，該閾值由CTRL引腳電壓和ISP/ISN引腳之間的電流感測電阻設(shè)置。實(shí)際應(yīng)用中，最大輸出電流受應(yīng)用的熱約束和最大開關(guān)電流限制。

8.6 電感選擇

電感值與開關(guān)頻率相關(guān)，較高的開關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值。電感值直接影響紋波電流，可根據(jù)不同區(qū)域的公式計算最小電感值。為保證穩(wěn)定性，還需考慮斜率補(bǔ)償所需的最小電感值。同時，應(yīng)選擇低磁芯損耗、低直流電阻、能承受峰值電感電流且不飽和度的電感，并使用屏蔽電感以減少輻射噪聲。

8.7 (C{IN})和(C{out})選擇

輸入和輸出電容用于抑制調(diào)節(jié)器中不連續(xù)電流引起的電壓紋波，通常采用電容器的并聯(lián)組合以實(shí)現(xiàn)高電容和低等效串聯(lián)電阻（ESR）。陶瓷電容器應(yīng)放置在調(diào)節(jié)器輸入和輸出附近，以抑制高頻開關(guān)尖峰。輸入電容需確保具有足夠低的ESR和能處理最大RMS電流的容量；輸出電容需考慮ESR和大容量電容對輸出電壓紋波的影響。

8.8 編程(V_{IN}) UVLO

通過從(V{IN})到EN/UVLO引腳的電阻分壓器實(shí)現(xiàn)(V{IN})欠壓鎖定（UVLO），可根據(jù)公式計算可編程的UVLO閾值。

8.9 編程輸入或輸出電流限制

通過在輸入或輸出功率路徑中放置合適的電流感測電阻RIS，并將CTRL引腳連接到高于1.35V的電壓，可實(shí)現(xiàn)輸入或輸出電流限制。CTRL引腳電壓不同時，電流感測閾值的計算方式不同。

8.10 ISMON電流監(jiān)測

ISMON引腳提供流經(jīng)ISP/ISN電流感測電阻RIS的電流的緩沖監(jiān)測輸出，其電壓可根據(jù)公式計算。在并聯(lián)應(yīng)用中，主LT8350S的ISMON引腳可直接連接到從LT8350S的引腳以實(shí)現(xiàn)均流。

8.11 LOAD開關(guān)控制

LOADEN和LOADTG引腳提供高側(cè)p溝道金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體（PMOS）負(fù)載開關(guān)控制。LOADEN引腳接受邏輯電平的開關(guān)信號，驅(qū)動LOADTG引腳控制高側(cè)PMOS負(fù)載開關(guān)的通斷，從而連接或斷開LT8350S的電源輸出與系統(tǒng)輸出。

8.12 編程輸出電壓和閾值

通過FB引腳可編程恒定電壓輸出，根據(jù)公式選擇R3和R4的值可設(shè)置輸出電壓。FB引腳還可設(shè)置輸出過壓閾值、輸出功率良好閾值和輸出短路閾值。

8.13 功率良好（PGOOD）引腳

PGOOD引腳為開漏狀態(tài)引腳，當(dāng)(V_{FB})在1V調(diào)節(jié)電壓的±10%范圍內(nèi)時，該引腳被拉低?？赏ㄟ^外部電阻將其上拉至INTVcc或最高5V的外部電壓源。

8.14 軟啟動和故障保護(hù)

通過將SS引腳連接到地的外部電容可實(shí)現(xiàn)軟啟動，內(nèi)部12.5μA的上拉電流對電容充電，使輸出電壓平滑上升。SS引腳還可作為故障定時器，通過連接不同電阻可設(shè)置三種不同的故障保護(hù)模式。

8.15 環(huán)路補(bǔ)償

LT8350S使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器，其輸出Vc用于補(bǔ)償控制環(huán)路。外部電感、輸出電容以及補(bǔ)償電阻和電容決定了環(huán)路穩(wěn)定性。對于典型應(yīng)用，Vc引腳的2.2nF補(bǔ)償電容通常足夠，且應(yīng)使用串聯(lián)電阻以提高Vc引腳的壓擺率，從而在轉(zhuǎn)換器輸入電源快速瞬變時保持更嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)。

8.16 效率考慮

開關(guān)調(diào)節(jié)器的功率效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。LT8350S電路中的主要損耗源包括DC (I^{2} R)損耗、過渡損耗、INTV電流以及(C{IN})和(C{OUT})損耗。分析這些損耗有助于確定效率限制因素，并采取相應(yīng)措施提高效率。

九、典型應(yīng)用電路

文檔給出了兩個典型應(yīng)用電路，分別是96%高效的30W（12V，2.5A）、350kHz降壓 - 升壓電壓調(diào)節(jié)器和USB - PD源 - 27W 5V，9V/3A固定PDO模式電路，為工程師提供了實(shí)際設(shè)計參考。

十、訂購信息

提供了LT8350S的訂購信息，包括不同型號的封裝類型、引腳或球的表面處理、零件標(biāo)記、MSL評級和溫度范圍等，方便工程師進(jìn)行產(chǎn)品選型和采購。

十一、總結(jié)

LT8350S作為一款高性能的同步降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，具有眾多優(yōu)秀特性和豐富功能。電子工程師在設(shè)計過程中，需根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇開關(guān)頻率、電感、電容等外部元件，準(zhǔn)確設(shè)置各種參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和效率。同時，要充分考慮芯片的工作原理和保護(hù)機(jī)制，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過深入了解LT8350S的特點(diǎn)和應(yīng)用設(shè)計方法，工程師能夠更好地利用這款芯片，開發(fā)出高質(zhì)量的電子系統(tǒng)。