LTC3890-2：高性能雙路同步降壓DC/DC控制器的深度解析

在電子設計領域，電源管理芯片的性能往往直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一款備受關注的電源管理芯片——LTC3890 - 2。

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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)動全N溝道同步功率MOSFET級。它具有寬輸入電壓范圍（4V至60V，絕對最大65V），低靜態(tài)電流（單通道開啟時為50μA），輸出電壓范圍為0.8V至24V。這些特性使得它在汽車、電池供電設備以及分布式直流電源系統(tǒng)等領域有著廣泛的應用。

二、關鍵特性剖析

（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，使其能夠適應多種不同的電源環(huán)境，無論是電池供電還是中間總線電壓，都能輕松應對。這為設計帶來了極大的靈活性，工程師可以根據(jù)實際需求選擇合適的電源。
2. 低靜態(tài)電流：在單通道開啟時，靜態(tài)電流僅為50μA，這對于電池供電的設備來說至關重要。低靜態(tài)電流可以有效延長電池的使用壽命，提高設備的續(xù)航能力。
3. 寬輸出電壓范圍：輸出電壓范圍為0.8V至24V，能夠滿足不同負載的電壓需求。無論是為微處理器、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，減少過流對電路的損害。
2. 相位可鎖頻率：頻率可在75kHz至850kHz之間進行鎖相，同時還支持可編程固定頻率（50kHz至900kHz）。通過合理選擇頻率，可以在效率和元件尺寸之間找到最佳平衡點。較低的頻率可以降低MOSFET的開關損耗，提高效率，但需要較大的電感和電容來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，但會增加開關損耗。
3. 異相控制：兩個控制器輸出級異相工作，能夠有效減少輸入電容的ESR引起的功率損耗和噪聲。這種設計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)、脈沖跳過或低紋波Burst Mode?操作，用戶可以根據(jù)實際負載情況選擇合適的工作模式。在輕載時，選擇Burst Mode可以進一步降低功耗，提高效率；而在對輸出紋波要求較高的場合，可以選擇連續(xù)模式。
2. 可選擇的電流限制：通過ILIM引腳可以設置三種不同的最大電流限制閾值，方便工程師根據(jù)不同的應用場景進行靈活調(diào)整。
3. 軟啟動與跟蹤功能：獨立的TRACK/SS引腳可以實現(xiàn)輸出電壓的軟啟動或跟蹤功能。軟啟動可以避免在啟動過程中產(chǎn)生過大的電流沖擊，保護電路元件；而跟蹤功能則可以使輸出電壓跟隨其他電源的變化，實現(xiàn)電源的同步啟動。
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定的范圍內(nèi)，當輸出電壓超出±10%的范圍時，引腳會被拉低，方便工程師進行故障診斷和保護。

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)，兩個控制器通道相差180度異相工作。在正常工作時，每個外部頂部MOSFET在該通道的時鐘設置RS鎖存器時開啟，當主電流比較器ICMP重置RS鎖存器時關閉。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（通過外部電阻分壓器產(chǎn)生）與內(nèi)部0.800V參考電壓進行比較，當負載電流增加時，VFB相對于參考電壓略有下降，EA會增加ITH電壓，直到平均電感電流與新的負載電流匹配。頂部MOSFET關閉后，底部MOSFET開啟，直到電感電流開始反向或下一個時鐘周期開始。

（二）電源供應

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

（三）啟動與關閉

兩個通道可以通過RUN1和RUN2引腳獨立關閉。將任一引腳拉低至1.15V以下，該通道的主控制回路將關閉；將兩個引腳都拉低至0.7V以下，兩個控制器和大多數(shù)內(nèi)部電路將被禁用，此時芯片的靜態(tài)電流僅為14μA。釋放RUN引腳，內(nèi)部小電流會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。啟動時，每個控制器的輸出電壓由TRACK/SS引腳的電壓控制。當TRACK/SS引腳的電壓低于0.8V內(nèi)部參考電壓時，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。通過在TRACK/SS引腳連接外部電容到SGND，可以實現(xiàn)軟啟動功能；通過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。

（四）輕載工作模式

芯片在輕載時可以選擇進入高效的Burst Mode、恒定頻率脈沖跳過模式或強制連續(xù)導通模式。通過PLLIN/MODE引腳進行模式選擇，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模式。在Burst Mode下，電感的最小峰值電流被設置為最大感測電壓的約25%，當ITH電壓低于0.425V時，內(nèi)部睡眠信號變?yōu)楦唠娖剑瑑蓚€外部MOSFET關閉，大部分內(nèi)部電路也關閉，以降低靜態(tài)電流。當輸出電壓下降時，控制器將恢復正常工作。在強制連續(xù)模式下，電感電流在輕載或大瞬態(tài)條件下允許反向，輸出紋波與負載電流無關，但輕載效率低于Burst Mode。在脈沖跳過模式下，芯片在輕載時以PWM脈沖跳過模式工作，保持恒定頻率運行，輸出紋波和音頻噪聲較低，低電流效率高于強制連續(xù)模式，但低于Burst Mode。

（五）頻率選擇與鎖相環(huán)

開關頻率可以通過FREQ引腳進行選擇。如果PLLIN/MODE引腳沒有外部時鐘驅(qū)動，F(xiàn)REQ引腳可以接地、連接到INTVCC或通過外部電阻進行編程。接地時選擇350kHz，連接到INTVCC時選擇535kHz，通過電阻可以在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FREQ引腳設置自由運行頻率接近所需的同步頻率，可以實現(xiàn)快速鎖相。

（六）多相應用

LTC3890 - 2具有CLKOUT和PHASMD引腳，可用于在多相應用中與其他控制器IC進行級聯(lián)。CLKOUT引腳的時鐘輸出信號可用于同步多相電源解決方案中的額外功率級，PHASMD引腳用于調(diào)整CLKOUT信號的相位以及兩個內(nèi)部控制器之間的相對相位。

四、應用設計要點

（一）電流檢測方案選擇

芯片可以選擇使用DCR（電感電阻）檢測或低值電阻檢測。DCR檢測可以節(jié)省昂貴的電流檢測電阻，提高功率效率，尤其適用于高電流應用；而電流檢測電阻可以為控制器提供最準確的電流限制。在選擇時，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聯(lián)，較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會增加MOSFET的開關和柵極電荷損耗，降低效率。電感值還會直接影響紋波電流，合理設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，電感的類型也需要根據(jù)應用需求進行選擇，對于高效率轉(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：每個控制器需要選擇兩個外部功率MOSFET，一個用于頂部開關，一個用于底部同步開關。選擇時需要考慮導通電阻、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功率MOSFET導通之間的死區(qū)時間內(nèi)導通，防止底部MOSFET的體二極管導通，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)而簡化，其最壞情況下的RMS電流可以通過公式計算。輸出電容的選擇主要取決于有效串聯(lián)電阻（ESR），輸出紋波可以通過公式近似計算。

（三）輸出電壓設置

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

（四）跟蹤和軟啟動

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

（五）INTVCC調(diào)節(jié)器

芯片具有兩個內(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。在高輸入電壓應用中，需要注意INTVCC電流的供應，避免芯片結(jié)溫超過最大額定值。通過合理連接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，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，芯片會開始周期跳過以限制短路電流，此時底部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相應的公式計算。

（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鐘信號的上升沿，控制器2的頂部MOSFET與外部時鐘相差180度。鎖相環(huán)的工作原理是通過相位頻率檢測器、低通濾波器和壓控振蕩器（VCO）來調(diào)整內(nèi)部振蕩器的頻率和相位，使其與外部時鐘同步。

（八）最小導通時間考慮

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

（九）效率考慮

開關調(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的過渡損耗。通過合理選擇元件和優(yōu)化電路設計，可以降低這些損耗，提高系統(tǒng)的效率。

（十）瞬態(tài)響應檢查

通過觀察負載電流瞬態(tài)響應可以檢查調(diào)節(jié)器的環(huán)路響應。當負載發(fā)生階躍變化時，輸出電壓會發(fā)生相應的變化，通過監(jiān)測輸出電壓的過沖和振鈴情況，可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。OPTI - LOOP補償可以在寬范圍的輸出電容和ESR值下優(yōu)化瞬態(tài)響應，ITH引腳可以作為測試點來評估控制環(huán)路的性能。

（十一）PCB布局要點

PCB布局對于芯片的正常工作至關重要。在布局時，需要注意將頂部N溝道MOSFET靠近放置，保持信號和功率地分開，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，將開關節(jié)點、頂部柵極節(jié)點和升壓節(jié)點遠離敏感小信號節(jié)點，使用改進的星形接地技術等。同時，在調(diào)試PCB時，需要逐步檢查每個控制器的性能，注意不同工作條件下可能出現(xiàn)的問題，如噪聲拾取、環(huán)路補償不足等。

五、典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，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用，為工程師提供了參考。

六、總結(jié)

LTC3890 - 2是一款功能強大、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功能，適用于多種應用場景。在設計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應用需求，合理選擇元件和設置參數(shù)，注意PCB布局和調(diào)試，以充分發(fā)揮芯片的性能，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源管理。你在使用LTC3890 - 2的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。