LTC3867：高性能同步降壓DC/DC控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。一款優(yōu)秀的DC/DC控制器能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定、高效的電源供應(yīng)，滿足各種復(fù)雜應(yīng)用的需求。LTC3867作為Linear Technology Corporation推出的一款同步降壓DC/DC控制器，憑借其諸多出色特性，在汽車系統(tǒng)、電信系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備以及分布式DC電源系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文將深入探討LTC3867的特性、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)以及相關(guān)注意事項(xiàng)，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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一、LTC3867特性概述

1.1 基本特性

LTC3867是一款電流模式同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，能夠驅(qū)動(dòng)全N溝道功率MOSFET級(jí)。它采用了非線性控制架構(gòu)，有效消除了時(shí)鐘延遲問題，將輸出電壓瞬態(tài)偏移降至最低。其輸入電壓范圍為4V至38V，輸出電壓范圍為0.6V至14V，可滿足多種不同電源需求。

1.2 關(guān)鍵特性亮點(diǎn)

• 可編程電流感測(cè)：最大電流感測(cè)電壓可在30mV至75mV之間編程，支持使用離散感測(cè)電阻或電感DCR作為感測(cè)元件。同時(shí)，可編程DCR溫度補(bǔ)償功能可確保無論電感溫度如何變化，電流限制都能保持恒定。
• 高精度參考電壓：具備0.6V的精密參考電壓，精度可達(dá)±0.75%，為輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)提供了可靠保障。
• 多種工作模式：支持Burst Mode?操作、連續(xù)和脈沖跳過模式，可根據(jù)不同的負(fù)載需求靈活選擇，以實(shí)現(xiàn)最佳的效率和性能。
• 頻率同步與調(diào)節(jié)：固定頻率范圍為200kHz至1.2MHz，還支持PLL頻率同步，方便與外部時(shí)鐘源同步，減少電磁干擾。
• 差分遠(yuǎn)程感測(cè)：集成了高速差分遠(yuǎn)程感測(cè)放大器，能夠直接跨負(fù)載電容感測(cè)負(fù)載，大大提高了在高電流、低電壓應(yīng)用中的調(diào)節(jié)精度。

二、工作原理剖析

2.1 主控制環(huán)路

LTC3867采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu)。在正常工作時(shí)，振蕩器設(shè)置RS鎖存器，使頂部MOSFET每個(gè)周期導(dǎo)通；當(dāng)主電流比較器ICMP重置RS鎖存器時(shí)，頂部MOSFET關(guān)斷。ICMP重置RS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。遠(yuǎn)程感測(cè)放大器（DIFFAMP）產(chǎn)生的信號(hào)等于輸出電容兩端感測(cè)到的差分電壓，經(jīng)反饋分壓器分壓后，再參考到本地IC接地參考。VFB引腳接收該反饋信號(hào)，并與內(nèi)部0.6V參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，VFB引腳電壓相對(duì)于0.6V參考電壓略有下降，進(jìn)而導(dǎo)致ITH電壓升高，直到電感的平均電流等于新的負(fù)載電流。頂部MOSFET關(guān)斷后，底部MOSFET導(dǎo)通，直到電感電流開始反向（由反向電流比較器IREV指示）或下一個(gè)周期開始。

2.2 電源供應(yīng)

頂部和底部MOSFET驅(qū)動(dòng)器以及大多數(shù)其他內(nèi)部電路的電源來自INTVCC引腳。當(dāng)EXTVCC引腳懸空或連接到低于4.7V的電壓時(shí)，內(nèi)部5.3V線性穩(wěn)壓器從VIN提供INTVCC電源。如果EXTVCC電壓高于4.7V，5.3V穩(wěn)壓器關(guān)閉，內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通，將EXTVCC連接到INTVCC，允許從高效的外部源（如開關(guān)穩(wěn)壓器輸出）獲取INTVCC電源。頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器由浮動(dòng)自舉電容CB偏置，通常在頂部MOSFET關(guān)斷時(shí)通過外部二極管在關(guān)斷周期內(nèi)充電。

2.3 軟啟動(dòng)與關(guān)機(jī)

默認(rèn)情況下，輸出電壓的啟動(dòng)由內(nèi)部軟啟動(dòng)斜坡控制。內(nèi)部軟啟動(dòng)斜坡作為誤差放大器的同相輸入，F(xiàn)B引腳被調(diào)節(jié)到誤差放大器的三個(gè)同相輸入（內(nèi)部軟啟動(dòng)斜坡、TK/SS引腳或內(nèi)部600mV參考）中的較低值。隨著斜坡電壓從0V上升到0.6V（約600μs），輸出電壓從預(yù)偏置值平穩(wěn)上升到最終設(shè)定值。LTC3867可以通過拉低RUN引腳來關(guān)機(jī)，釋放RUN引腳后，內(nèi)部1.0μA電流源將其拉高，使主控制環(huán)路啟用，IC上電。TK/SS引腳用于控制輸出電壓的啟動(dòng)，通過連接外部電容到SGND，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。

2.4 輕載電流操作

LTC3867可以進(jìn)入高效的Burst Mode操作、恒定頻率脈沖跳過模式或強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式。通過將MODE/PLLIN引腳連接到SGND、INTVCC或懸空，可以分別選擇強(qiáng)制連續(xù)操作、脈沖跳過模式或Burst Mode操作。在Burst Mode操作中，電感中的峰值電流設(shè)置為最大感測(cè)電壓的約三分之一，當(dāng)ITH電壓低于0.5V時(shí)，內(nèi)部睡眠信號(hào)變高，外部MOSFET關(guān)閉，負(fù)載電流由輸出電容提供。當(dāng)輸出電壓下降到一定程度時(shí)，睡眠信號(hào)變低，控制器恢復(fù)正常操作。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 電流感測(cè)方案選擇

LTC3867可以配置為使用DCR（電感電阻）感測(cè)或低值電阻感測(cè)。DCR感測(cè)在高電流應(yīng)用中具有成本低、功耗低的優(yōu)勢(shì)，但電流感測(cè)電阻能提供更精確的電流限制。在選擇時(shí)，需要綜合考慮成本、功耗和精度等因素。

3.2 電流限制編程

ILIM引腳是一個(gè)5級(jí)邏輯輸入，用于設(shè)置控制器的最大電流限制。通過將ILIM引腳接地、懸空或連接到INTVCC，可以分別設(shè)置最大電流感測(cè)閾值為30mV、50mV或75mV。還可以通過設(shè)置ILIM引腳電壓在1.1V至1.9V（通常為1.5V）之間，將最大電流感測(cè)閾值設(shè)置為40mV；設(shè)置在3.3V至4.1V（通常為3.7V）之間，設(shè)置為60mV。

3.3 電感選擇

電感值和工作頻率直接決定了電感的峰 - 峰紋波電流。為了降低電感的磁芯損耗、輸出電容的ESR損耗和輸出電壓紋波，應(yīng)選擇較小的紋波電流。一般來說，選擇紋波電流約為IOUT(MAX)的40%作為起點(diǎn)。同時(shí)，要確保電感在最高輸入電壓下的紋波電流不超過指定的最大值。在選擇電感類型時(shí)，鐵氧體設(shè)計(jì)在高開關(guān)頻率下具有較低的磁芯損耗，但要注意防止磁芯飽和。

3.4 功率MOSFET和肖特基二極管選擇

至少需要選擇兩個(gè)外部功率MOSFET：一個(gè)用于頂部（主）開關(guān)的N溝道MOSFET和一個(gè)或多個(gè)用于底部（同步）開關(guān)的N溝道MOSFET。選擇時(shí)需要考慮電壓降壓比、MOSFET的導(dǎo)通電阻、輸入電容、輸入電壓和最大輸出電流等因素。肖特基二極管可以防止底部MOSFET的體二極管導(dǎo)通，提高效率。

3.5 輸入和輸出電容選擇

在連續(xù)模式下，頂部MOSFET的源電流是一個(gè)占空比為(VOUT)/(VIN)的方波。為了防止大的電壓瞬變，需要使用低ESR電容，其大小應(yīng)根據(jù)一個(gè)通道的最大RMS電流來選擇。輸出電容的選擇需要考慮輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)等因素。

四、PCB布局注意事項(xiàng)

在進(jìn)行PCB布局時(shí)，需要遵循以下原則，以確保IC的正常運(yùn)行：

• INTVCC去耦電容：應(yīng)緊鄰IC放置在INTVCC引腳和PGND平面之間，使用X7R或X5R類型的1μF陶瓷電容，并額外添加4.7μF至10μF的陶瓷、鉭或其他低ESR電容，以保持內(nèi)部IC電源的安靜。
• 反饋分壓器：應(yīng)放置在COUT的正負(fù)極之間，DIFF+和DIFF-的PCB走線應(yīng)盡可能靠近IC和反饋分壓器。
• SENSE+和SENSE-走線：應(yīng)一起布線，間距最小，濾波電容應(yīng)盡可能靠近IC引腳。
• CIN連接：CIN的正極應(yīng)盡可能靠近頂部MOSFET的漏極。
• 敏感節(jié)點(diǎn)隔離：將開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW、BOOST和TG）與敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)（SENSE+、SENSE-、DIFF+、DIFF-、VFB）分開，使用接地走線或接地平面隔離高dv/dt走線和敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)。
• MODE/PLLIN引腳驅(qū)動(dòng)：使用低阻抗源（如邏輯門）驅(qū)動(dòng)MODE/PLLIN引腳，并保持引線盡可能短。
• ITH引腳電容：ITH引腳和信號(hào)地之間的47pF至330pF陶瓷電容應(yīng)盡可能靠近IC。
• 信號(hào)和功率地分離：信號(hào)地和功率地應(yīng)分開，IC信號(hào)接地引腳和CINTVCC的接地返回應(yīng)連接到COUT的負(fù)極。

五、典型應(yīng)用示例

5.1 1.2V，10A輸出（使用RSENSE）

該應(yīng)用電路中，輸入電壓范圍為4.5V至14V，通過選擇合適的RSENSE電阻和其他外部元件，實(shí)現(xiàn)了1.2V、10A的穩(wěn)定輸出。

5.2 1.5V，15A輸出（使用DCR感測(cè)、非線性控制和DCR溫度補(bǔ)償）

此應(yīng)用利用電感DCR進(jìn)行電流感測(cè)，同時(shí)采用非線性控制和DCR溫度補(bǔ)償功能，提高了效率和電流限制的準(zhǔn)確性。

5.3 12V，4A輸出（使用RSENSE并同步到400kHz）

該電路將輸出電壓設(shè)置為12V，輸出電流為4A，并通過PLL將開關(guān)頻率同步到400kHz，減少了電磁干擾。

六、總結(jié)

LTC3867作為一款高性能的同步降壓DC/DC控制器，具有豐富的特性和靈活的應(yīng)用設(shè)計(jì)選項(xiàng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電流感測(cè)方案、電感、功率MOSFET、電容等元件，并注意PCB布局的合理性，以充分發(fā)揮LTC3867的性能優(yōu)勢(shì)，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、高效的電源供應(yīng)。同時(shí)，對(duì)于一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，如預(yù)偏置輸出啟動(dòng)、過流故障恢復(fù)和熱保護(hù)等，也需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和處理，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。希望本文能為電子工程師們?cè)贚TC3867的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中提供有益的參考，大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。