LTC7878：高性能4開(kāi)關(guān)降壓 - 升壓控制器的深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，電源管理芯片的選擇至關(guān)重要。LTC7878作為一款高性能的4開(kāi)關(guān)降壓 - 升壓控制器，憑借其獨(dú)特的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為眾多設(shè)計(jì)中的理想選擇。本文將深入剖析LTC7878的各項(xiàng)特性、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面，希望能為電子工程師們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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1. 特性亮點(diǎn)

1.1 寬輸入輸出電壓范圍

LTC7878支持5V至70V的寬輸入和輸出電壓范圍，這使得它能夠適應(yīng)各種不同的電源環(huán)境，無(wú)論是工業(yè)設(shè)備、電信系統(tǒng)還是分布式直流電源系統(tǒng)，都能穩(wěn)定工作。例如，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，不同的傳感器和執(zhí)行器可能需要不同的電源電壓，LTC7878可以輕松應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜的電源需求。

1.2 高效同步整流

采用同步整流技術(shù)，效率最高可達(dá)98%。在當(dāng)今追求節(jié)能環(huán)保的時(shí)代，高轉(zhuǎn)換效率意味著更低的功耗和更少的熱量產(chǎn)生，有助于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)也符合綠色能源的發(fā)展趨勢(shì)。

1.3 精準(zhǔn)的輸出電壓控制

輸出電壓精度達(dá)到±1%（1V ≤ VOUT ≤ 70V），能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定、精準(zhǔn)的電源供應(yīng)。在對(duì)電源質(zhì)量要求較高的應(yīng)用中，如高精度儀器儀表，這種精準(zhǔn)的電壓控制至關(guān)重要。

1.4 靈活的電流感測(cè)方式

支持DCR或RSENSE電流感測(cè)，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的電流感測(cè)方式，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，在一些對(duì)成本敏感的應(yīng)用中，可以選擇DCR電流感測(cè)；而在對(duì)電流測(cè)量精度要求較高的應(yīng)用中，則可以采用RSENSE電流感測(cè)。

1.5 可編程的輸入或輸出電流調(diào)節(jié)

通過(guò)設(shè)置相關(guān)引腳，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入或輸出電流的精確調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足電池充電等應(yīng)用的需求。在電池充電過(guò)程中，精確的電流控制可以避免過(guò)充和過(guò)放，保護(hù)電池的安全和壽命。

1.6 鎖相頻率和多相/多IC并行操作

開(kāi)關(guān)頻率可鎖相（100kHz至600kHz），支持多相/多IC并行操作，適用于高功率應(yīng)用。在需要高功率輸出的場(chǎng)合，通過(guò)多相/多IC并行操作可以提高輸出功率，同時(shí)降低輸入和輸出電壓紋波。

2. 工作原理

2.1 主控制環(huán)路

LTC7878采用恒定頻率、峰值電流模式控制，通過(guò)電感DCR進(jìn)行電流感測(cè)和閉環(huán)調(diào)節(jié)。電感峰值電流由ITH和ITHB引腳的電壓控制，VFB引腳接收電壓反饋信號(hào)，并與內(nèi)部1.0V參考電壓進(jìn)行比較。在輸入或輸出平均電流調(diào)節(jié)環(huán)路中，電感電流由輸出反饋電壓或輸入/輸出平均電流控制。

2.2 電源供應(yīng)

DRVCC引腳為頂部和底部N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)器以及其他內(nèi)部電路提供電源。當(dāng)EXTVCC電源未使用時(shí)，內(nèi)部7V線(xiàn)性穩(wěn)壓器從VIN提供DRVCC電源；當(dāng)EXTVCC連接到外部電壓源時(shí)，另一個(gè)7V線(xiàn)性穩(wěn)壓器可啟用并提供DRVCC電源。LTC7878會(huì)根據(jù)工作模式和電源電壓自動(dòng)選擇VIN線(xiàn)性穩(wěn)壓器或EXTVCC線(xiàn)性穩(wěn)壓器，以最小化IC功耗并降低IC溫度。

2.3 啟動(dòng)和關(guān)機(jī)控制

當(dāng)RUN引腳電壓低于0.5V時(shí)，LTC7878處于關(guān)機(jī)模式，大部分內(nèi)部電路關(guān)閉，功耗小于100μA；當(dāng)RUN引腳電壓在0.5V至1.2V之間時(shí)，處于待機(jī)模式，DRVCC/INTVCC穩(wěn)壓器和內(nèi)部電路啟用，但不進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作；當(dāng)RUN引腳電壓高于1.2V時(shí)，進(jìn)入活躍模式，開(kāi)始開(kāi)關(guān)操作并調(diào)節(jié)輸出電壓。SS引腳用于控制輸出電壓的軟啟動(dòng)，通過(guò)連接外部電容到SGND，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平滑上升。

2.4 功率開(kāi)關(guān)控制

LTC7878可以在降壓區(qū)域（VIN >> VOUT）、升壓區(qū)域（VIN << VOUT）和降壓 - 升壓區(qū)域（VIN ≈ VOUT）之間自動(dòng)切換，無(wú)需感測(cè)VIN和VOUT電壓。在不同區(qū)域，功率開(kāi)關(guān)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的控制，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平滑的區(qū)域轉(zhuǎn)換。

3. 應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 電感選擇和DCR電流感測(cè)

電感的選擇與工作頻率密切相關(guān)，較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。電感的飽和電流應(yīng)高于最大峰值電流，通常將電感電流紋波設(shè)置為最大直流電感電流的30%至60%是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。LTC7878使用電感DCR進(jìn)行電流感測(cè)和閉環(huán)調(diào)節(jié)，需要根據(jù)所需的輸出電流和電流限制選擇合適的電感DCR。為了保持良好的信噪比，建議最小感測(cè)紋波電壓ΔVSENSE大于10mV。

3.2 設(shè)置輸出電壓

通過(guò)外部反饋電阻分壓器跨接在輸出電容上，可以設(shè)置LTC7878的輸出電壓。輸出電壓由公式VOUT = 1.0V · (1 + R2/R1)確定，其中R2連接到VOUT，R1連接到SGND。

3.3 編程平均輸入/輸出電流限制

輸入/輸出平均電流感測(cè)電阻RSENSE應(yīng)放置在VIN/VOUT的大容量電容和去耦電容之間，并使用由RF和CF組成的低通濾波器來(lái)減少開(kāi)關(guān)噪聲并穩(wěn)定電流環(huán)路。SETCUR引腳用于線(xiàn)性設(shè)置輸入/輸出電流限制，當(dāng)感測(cè)電壓高于SETCUR電壓時(shí)，ITH/ITHB引腳電壓會(huì)被拉低，以降低電感電流并維持電流環(huán)路調(diào)節(jié)。

3.4 CIN/COUT選擇

在降壓區(qū)域，輸入電流是不連續(xù)的，需要選擇低ESR電容來(lái)過(guò)濾輸入方波電流；在升壓區(qū)域，輸出電流是不連續(xù)的，COUT必須能夠降低輸出電壓紋波。選擇合適的電容時(shí)，需要考慮ESR和大容量電容的影響。

3.5 功率MOSFET選擇

LTC7878需要四個(gè)外部N溝道功率MOSFET，分別用于頂部開(kāi)關(guān)和底部開(kāi)關(guān)。選擇功率MOSFET時(shí)，需要考慮擊穿電壓、閾值電壓、導(dǎo)通電阻、反向傳輸電容和最大電流等參數(shù)。同時(shí)，需要根據(jù)不同開(kāi)關(guān)在不同區(qū)域的功率耗散情況，選擇合適的MOSFET，以確保其能夠正常工作。

3.6 頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器電源

外部自舉電容CBST1和CBST2為頂部MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)頂部開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓上升，BOOST引腳電壓相應(yīng)上升；當(dāng)?shù)撞块_(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，自舉電容通過(guò)二極管從DRVCC充電。自舉電容需要存儲(chǔ)約100倍頂部開(kāi)關(guān)所需的柵極電荷，低泄漏肖特基二極管必須能夠處理頂部驅(qū)動(dòng)器電流。

3.7 DRVCC穩(wěn)壓器和EXTVCC

LTC7878具有P溝道MOSFET LDO，可從VIN或EXTVCC為DRVCC提供電源。在高輸入電壓應(yīng)用中，使用EXTVCC可以降低IC溫度，提高效率。當(dāng)EXTVCC電壓高于7.5V時(shí)，VIN的DRVCC線(xiàn)性穩(wěn)壓器關(guān)閉，EXTVCC的線(xiàn)性穩(wěn)壓器開(kāi)啟。

3.8 欠壓鎖定

LTC7878具有兩種欠壓保護(hù)方式：一是通過(guò)精確的UVLO比較器監(jiān)測(cè)DRVCC電壓，當(dāng)DRVCC低于4.3V時(shí)，鎖定開(kāi)關(guān)操作；二是通過(guò)監(jiān)測(cè)VIN電源，使用電阻分壓器從VIN控制RUN引腳，當(dāng)VIN足夠高時(shí)開(kāi)啟IC。

3.9 軟啟動(dòng)功能

當(dāng)電容連接到SS引腳時(shí)，2.5μA的軟啟動(dòng)電流開(kāi)始對(duì)電容充電，通過(guò)控制SS引腳的電壓斜坡率來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的軟啟動(dòng)。在軟啟動(dòng)階段，電流折返功能被禁用，以確保平滑的啟動(dòng)過(guò)程。

3.10 故障條件：電流限制和電流折返

在電流模式控制器中，最大電感電流由最大感測(cè)電壓限制。當(dāng)輸出短路到地時(shí)，LTC7878包括電流折返功能，將最大感測(cè)電壓逐步降低到其最大值的五分之一，以限制負(fù)載電流。

3.11 效率考慮

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。LTC7878電路中的主要損耗源包括DC I2R損耗、MOSFET過(guò)渡損耗、DRVCC電流、CIN和COUT損耗以及其他損耗。在調(diào)整效率時(shí)，輸入電流是效率變化的最佳指標(biāo)。

3.12 最大升壓比

由于BG2的最大占空比限制，升壓模式下的最大輸出電壓約為輸入電壓的10倍。建議使用電阻分壓器從VIN控制RUN引腳，當(dāng)輸入電壓降至輸出電壓的1/10以下時(shí)關(guān)閉RUN引腳，以防止瞬態(tài)過(guò)程中的大反向電流。

3.13 并行操作

對(duì)于需要高電流輸出的負(fù)載，可以將多個(gè)LTC7878并聯(lián)并級(jí)聯(lián)，以提供更多的輸出電流而不增加輸入和輸出電壓紋波。通過(guò)SYNC引腳和CLKOUT引腳，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)LTC7878的頻率和相位同步。在設(shè)計(jì)多IC并行操作時(shí)，需要確保所有VFB引腳、ITH引腳、SS引腳、RUN引腳、輸入和輸出分別連接在一起，并將一個(gè)IC的CLKOUT引腳連接到另一個(gè)IC的SYNC引腳。

4. 設(shè)計(jì)示例

假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為8V至42V，輸出電壓為12V，輸出電流為9A，開(kāi)關(guān)頻率為250kHz，最大環(huán)境溫度為60°C。

4.1 設(shè)置頻率

通過(guò)在FREQ引腳施加1V電壓，利用10μA的輸出電流，選擇100kΩ的電阻連接到SGND，將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為250kHz。

4.2 確定電感值

在標(biāo)稱(chēng)輸入電壓24V下，將電感紋波電流設(shè)置為直流電流的60%（5.4A），計(jì)算得到電感值為4.4μH。選擇Wurth 7443630420電感（4.2μH/3.04mΩ），額定電流為24A。通過(guò)2個(gè)RC濾波器和使用ISNSD引腳，將峰值感測(cè)電感電流限制設(shè)置為50mV，計(jì)算得到峰值電感電流為16.45A，小于所選電感的飽和電流。

4.3 設(shè)置輸出電壓

選擇反饋電阻R1為10kΩ，根據(jù)公式R2 = (VOUT · R1)/1.0 - R1，計(jì)算得到R2為110kΩ。

4.4 選擇MOSFET

根據(jù)最大輸入和輸出電壓，選擇60V額定的MOSFET用于連接到SW1的開(kāi)關(guān)A和B，選擇25V額定的MOSFET用于連接到SW2的開(kāi)關(guān)C和D。在本設(shè)計(jì)示例中，使用BSC034N06NS3（非邏輯電平）和BSC014NE2LSI（邏輯電平）MOSFET。選擇PMEG6010肖特基二極管作為T(mén)G1/TG2驅(qū)動(dòng)器的自舉二極管。同時(shí)，通過(guò)100k/20k電阻分壓器從VIN到RUN引腳設(shè)置輸入電壓UVLO，當(dāng)VIN高于7.2V時(shí)開(kāi)啟轉(zhuǎn)換器。

5. PCB布局檢查清單

5.1 接地平面

使用專(zhuān)用的接地平面層，盡量靠近功率MOSFET層，避免接地平面層上有任何走線(xiàn)。

5.2 元件布局

將CIN、開(kāi)關(guān)A和開(kāi)關(guān)B放置在一個(gè)緊湊的區(qū)域，將COUT、開(kāi)關(guān)C和開(kāi)關(guān)D放置在另一個(gè)緊湊的區(qū)域。使用直接過(guò)孔將元件連接到接地平面，每個(gè)功率元件使用多個(gè)大過(guò)孔。

5.3 電源平面

使用平面來(lái)處理VIN和VOUT，以保持良好的電壓濾波并降低功率損耗。

5.4 銅箔填充

在所有層的未使用區(qū)域填充銅箔，將銅箔區(qū)域連接到任何直流網(wǎng)絡(luò)（VIN或GND），以降低功率元件的溫度上升。

5.5 信號(hào)和功率接地分離

將信號(hào)和功率接地分離，所有小信號(hào)元件應(yīng)連接到SGND引腳，然后在一點(diǎn)將SGND引腳連接到PGND引腳。

5.6 開(kāi)關(guān)布局

將開(kāi)關(guān)B和開(kāi)關(guān)C盡可能靠近控制器放置，保持PGND、BG和SW走線(xiàn)短。

5.7 高dv/dt節(jié)點(diǎn)

將高dv/dt的SW1、SW2、BOOST1、BOOST2、TG1和TG2節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離敏感的小信號(hào)節(jié)點(diǎn)。

5.8 電流路徑

開(kāi)關(guān)A、開(kāi)關(guān)B和CIN電容形成的路徑以及開(kāi)關(guān)C、開(kāi)關(guān)D和COUT電容形成的路徑應(yīng)具有短的引腳和PCB走線(xiàn)長(zhǎng)度。

5.9 電容連接

將輸出電容的負(fù)極端子盡可能靠近輸入電容的負(fù)極端子連接。將頂部驅(qū)動(dòng)器自舉電容CBST1和CBST2分別緊密連接到BOOST1和SW1引腳、BOOST2和SW2引腳。將輸入電容CIN和輸出電容COUT緊密連接到功率MOSFET。

5.10 反饋電阻連接

將VFB引腳的電阻分壓器連接到Cout的正極端子和信號(hào)地，可在LTC7878的SGND引腳附近連接一個(gè)小的VFB旁路電容。R2的連接不應(yīng)沿著高電流或噪聲路徑，如輸入電容。

5.11 電流感測(cè)

將ISNSP和ISNSN引線(xiàn)一起布線(xiàn)，保持最小的PCB走線(xiàn)間距，ISNSP必須與SW1電氣連接且無(wú)電阻。將ISNSP和ISNSN之間的濾波電容盡可能靠近IC放置，確保在電感處使用開(kāi)爾文連接以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流感測(cè)。如果使用ISNSD，ISNSD上的濾波電容也應(yīng)靠近IC放置。

5.12 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

將ITH/ITHB引腳的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)緊密連接到IC，位于ITH和信號(hào)接地引腳之間，電容有助于過(guò)濾PCB噪聲和輸出電壓紋波對(duì)補(bǔ)償環(huán)路的影響。

5.13 DRVCC旁路電容

將DRVCC旁路電容緊密連接到IC，位于DRVCC和PGND引腳之間，該電容承載MOSFET驅(qū)動(dòng)器的電流峰值。在DRVCC和PGND引腳旁邊額外放置一個(gè)1μF陶瓷電容可以顯著改善噪聲性能。

6. 典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括單路降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器、兩相并行操作的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器以及具有不同輸入的冗余設(shè)計(jì)的兩相并行降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器等。這些電路為工程師們提供了實(shí)際設(shè)計(jì)的參考，幫助他們更好地理解和應(yīng)用LTC7878。

7. 相關(guān)部件

文檔還列出了一些相關(guān)的部件，如LTC3789、LTC3779、LTC3777等，這些部件在功能和應(yīng)用場(chǎng)景上與LTC7878有一定的相似性，工程師們可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

綜上所述，LTC7878是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的4開(kāi)關(guān)降壓 - 升壓控制器，適用于各種工業(yè)和電信系統(tǒng)、分布式直流電源或電池系統(tǒng)等應(yīng)用。通過(guò)深入了解其特性、工作原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)，電子工程師們可以更好地利用這款芯片，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源管理電路。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和電路參數(shù)進(jìn)行合理的選擇和調(diào)整，以確保設(shè)計(jì)的成功。你在使用LTC7878的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？或者你對(duì)它的應(yīng)用有什么獨(dú)特的見(jiàn)解嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。