深入解析LTC3890 - 1：高性能雙路降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器DC/DC控制器

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，選擇一款合適的DC/DC控制器至關(guān)重要。今天我們就來(lái)深入探討一下Linear Technology公司的LTC3890 - 1，這是一款高性能的雙路降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器DC/DC控制器，具有諸多出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3890 - 1能夠驅(qū)動(dòng)所有N溝道同步功率MOSFET級(jí)，采用恒定頻率電流模式架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)850kHz的鎖相頻率。其輸入電壓范圍為4V至60V（絕對(duì)最大值65V），輸出電壓范圍為0.8V至24V，具有低靜態(tài)電流（50μA，單通道開(kāi)啟）、寬輸出電壓范圍、可選的電流檢測(cè)方式等特點(diǎn)。此外，它還支持多種工作模式，如連續(xù)模式、脈沖跳躍模式和低紋波突發(fā)模式，能在不同負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。

二、關(guān)鍵特性分析

2.1 輸入輸出特性

• 寬輸入電壓范圍：4V至60V的輸入電壓范圍，能適應(yīng)多種電源環(huán)境，涵蓋了廣泛的中間總線電壓和電池化學(xué)類(lèi)型，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活性。
• 寬輸出電壓范圍：0.8V至24V的輸出電壓范圍，可滿(mǎn)足多種負(fù)載的供電需求。
• 低靜態(tài)電流：?jiǎn)瓮ǖ篱_(kāi)啟時(shí)靜態(tài)電流僅50μA，有助于延長(zhǎng)電池供電系統(tǒng)的工作壽命。

2.2 工作模式

• 突發(fā)模式（Burst Mode）：在輕負(fù)載時(shí)，可顯著降低靜態(tài)電流，提高效率。當(dāng)控制器進(jìn)入突發(fā)模式時(shí)，電感中的最小峰值電流被設(shè)置為最大感測(cè)電壓的約25%。當(dāng)平均電感電流高于負(fù)載電流時(shí)，誤差放大器會(huì)降低ITH引腳的電壓，當(dāng)ITH電壓低于0.425V時(shí)，進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)大部分內(nèi)部電路關(guān)閉，僅消耗50μA（單通道睡眠）或60μA（雙通道睡眠）的靜態(tài)電流。
• 脈沖跳躍模式（Pulse - Skipping）：在輕負(fù)載時(shí)保持恒定頻率操作，輸出紋波較低，音頻噪聲和射頻干擾也較小，效率高于強(qiáng)制連續(xù)模式。
• 強(qiáng)制連續(xù)模式（Forced Continuous Mode）：電感電流在輕負(fù)載或大瞬態(tài)條件下允許反向，輸出電壓紋波低，對(duì)音頻電路的干擾小，但輕負(fù)載時(shí)效率低于突發(fā)模式。

2.3 其他特性

• 相位鎖定功能：通過(guò)PLLIN/MODE引腳可將內(nèi)部振蕩器與外部時(shí)鐘源同步，鎖相范圍為75kHz至850kHz，可有效減少輸入電容和電源引起的噪聲。
• 過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)VFB引腳電壓高于其調(diào)節(jié)點(diǎn)10%以上時(shí)，頂部MOSFET關(guān)閉，底部MOSFET開(kāi)啟，直到過(guò)壓條件消除。
• 電源良好輸出（PGOOD1）：當(dāng)VFB1引腳電壓不在0.8V參考電壓的±10%范圍內(nèi)時(shí)，PGOOD1引腳被拉低，可用于指示輸出電壓是否正常。
• 電流折返功能：當(dāng)輸出電壓降至標(biāo)稱(chēng)水平的70%以下時(shí)，激活電流折返功能，逐步降低峰值電流限制，以保護(hù)電路。

三、引腳功能詳解

LTC3890 - 1共有28個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能，以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：

• ITH1/ITH2：誤差放大器輸出和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器補(bǔ)償點(diǎn)，控制電流比較器的跳閘點(diǎn)。
• VFB1/VFB2：接收來(lái)自外部電阻分壓器的反饋電壓，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。
• SENSE1 + /SENSE2 + 和SENSE1 - /SENSE2 -：差分電流比較器的輸入，可用于DCR（電感電阻）電流檢測(cè)或低阻值電阻電流檢測(cè)。
• FREQ：內(nèi)部VCO的頻率控制引腳，可通過(guò)連接到GND、INTVCC或使用外部電阻來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。
• PLLIN/MODE：外部同步輸入和輕負(fù)載模式選擇引腳，可選擇突發(fā)模式、脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)模式。
• RUN1/RUN2：數(shù)字運(yùn)行控制輸入，用于獨(dú)立關(guān)閉或開(kāi)啟每個(gè)控制器。
• INTVCC：內(nèi)部線性低壓差穩(wěn)壓器的輸出，為驅(qū)動(dòng)和控制電路供電。
• EXTVCC：外部電源輸入，當(dāng)電壓高于4.7V時(shí)，可為INTVCC供電，提高效率。

四、工作原理

4.1 主控制環(huán)路

LTC3890 - 1采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu)，兩個(gè)控制器通道以180度異相運(yùn)行。在正常運(yùn)行時(shí)，外部頂部MOSFET在時(shí)鐘信號(hào)設(shè)置RS鎖存器時(shí)開(kāi)啟，當(dāng)主電流比較器ICMP重置RS鎖存器時(shí)關(guān)閉。ICMP跳閘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VFB引腳的輸出電壓反饋信號(hào)與內(nèi)部0.800V參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，VFB相對(duì)參考電壓略有下降，EA會(huì)增加ITH電壓，直到平均電感電流匹配新的負(fù)載電流。

4.2 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(lái)自INTVCC引腳。當(dāng)EXTVCC引腳電壓低于4.7V時(shí)，VIN LDO從VIN向INTVCC提供5.1V電源；當(dāng)EXTVCC引腳電壓高于4.7V時(shí)，VIN LDO關(guān)閉，EXTVCC LDO開(kāi)啟，從EXTVCC向INTVCC提供5.1V電源。

4.3 啟動(dòng)和關(guān)閉

通過(guò)RUN1和RUN2引腳可獨(dú)立關(guān)閉每個(gè)控制器。當(dāng)兩個(gè)引腳都低于0.7V時(shí)，整個(gè)LTC3890 - 1關(guān)閉，靜態(tài)電流僅14μA。啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)控制器的輸出電壓由TRACK/SS引腳的電壓控制，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)或跟蹤其他電源。

五、應(yīng)用信息

5.1 電流檢測(cè)方法

• 低阻值電阻電流檢測(cè)：根據(jù)所需輸出電流選擇合適的RSENSE電阻，通過(guò)公式 (R{SENSE }=frac{V{SENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I{L}}{2}}) 計(jì)算電阻值。
• 電感DCR電流檢測(cè)：在高負(fù)載電流應(yīng)用中，可通過(guò)檢測(cè)電感DCR上的電壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，具有更高的效率。需根據(jù)電感的DCR值和目標(biāo)感測(cè)電阻值選擇合適的外部濾波組件。

5.2 電感選擇

電感值與開(kāi)關(guān)頻率相互關(guān)聯(lián)，較高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗和柵極電荷損耗，降低效率。一般選擇電感紋波電流 (Delta I{L}=0.3(I{MAX})) 作為起始點(diǎn)，同時(shí)要考慮電感值對(duì)突發(fā)模式操作和輸出電壓紋波的影響。

5.3 功率MOSFET和肖特基二極管選擇

每個(gè)控制器需要選擇兩個(gè)外部功率MOSFET，即頂部（主）開(kāi)關(guān)和底部（同步）開(kāi)關(guān)。選擇時(shí)需考慮導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)})、米勒電容 (C{MILLER})、輸入電壓和最大輸出電流等因素。可選的肖特基二極管可防止底部MOSFET的體二極管導(dǎo)通，提高效率。

5.4 輸入輸出電容選擇

• 輸入電容 (C_{IN})：2相架構(gòu)可降低輸入電容的RMS紋波電流，選擇時(shí)需考慮最大RMS電流要求，可使用公式 (C{I N} Required I{RMS } approx frac{I{MAX }}{V{IN }}left[left(V{OUT }right)left(V{IN }-V_{OUT }right)right]^{1 / 2}) 計(jì)算。
• 輸出電容 (C_{OUT})：輸出電容的選擇主要取決于有效串聯(lián)電阻（ESR），輸出紋波電壓可通過(guò)公式 (Delta V{OUT } approx Delta I{L}left(ESR+frac{1}{8 cdot f cdot C_{OUT }}right)) 估算。

5.5 輸出電壓設(shè)置

通過(guò)外部反饋電阻分壓器可設(shè)置輸出電壓，公式為 (V{OUT }=0.8 Vleft(1+frac{R{B}}{R{A}}right)) 。為提高頻率響應(yīng)，可使用前饋電容 (C{FF}) 。

5.6 跟蹤和軟啟動(dòng)

• 軟啟動(dòng)：通過(guò)在TRACK/SS引腳連接電容到地，內(nèi)部1μA電流源對(duì)電容充電，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平滑上升，軟啟動(dòng)時(shí)間約為 (t{s s}=C{s s} cdot frac{0.8 V}{1 mu A}) 。
• 跟蹤：通過(guò)將電阻分壓器連接到TRACK/SS引腳，可使輸出電壓在啟動(dòng)時(shí)跟蹤其他電源。

六、設(shè)計(jì)示例

假設(shè) (V{IN}=) 12V（標(biāo)稱(chēng)）， (V{IN }=22 ~V)（最大）， (V{OUT }=3.3 ~V) ， (I{MAX }=5 ~A) ， (V_{SENSE(MAX) }=75 mV) ， (f = 350 kHz) 。

• 電感選擇：選擇4.7μH電感，可產(chǎn)生29%的紋波電流，峰值電感電流為5.73A。
• RSENSE電阻計(jì)算：使用最小最大電流感測(cè)閾值（43mV）計(jì)算， (R_{SENSE} leq frac{64 mV}{5.73 A} approx 0.01 Omega) 。
• 輸出電壓設(shè)置：選擇 (R{A}=25 k) 和 (R{B}=78.7 k) ，可得到3.32V的輸出電壓。
• 功率MOSFET功率估算：選擇Fairchild FDS6982S雙MOSFET，在最大輸入電壓下，頂部MOSFET的功率損耗約為331mW。
• 短路電流計(jì)算：短路時(shí)的折返電流約為3.18A，底部MOSFET的功率損耗約為250mW。
• 電容選擇： (C{IN}) 選擇RMS電流額定值至少為3A的電容， (C{OUT}) 選擇ESR為0.02Ω的電容，以降低輸出紋波。

七、PCB布局注意事項(xiàng)

• MOSFET布局：頂部N溝道MOSFET應(yīng)彼此靠近，且漏極連接到 (C_{IN}) ，避免輸入去耦分離。
• 接地設(shè)計(jì)：信號(hào)地和功率地應(yīng)分開(kāi)，IC信號(hào)接地引腳和 (C{INTVCC}) 的接地返回應(yīng)連接到 (C{OUT}) 的負(fù)極端子。
• 反饋電阻連接：LTC3890 - 1的VFB引腳的電阻分壓器應(yīng)連接到 (C_{OUT}) 的正極端子。
• SENSE引腳布線：SENSE - 和SENSE + 引腳的引線應(yīng)緊密布線，濾波電容應(yīng)靠近IC。
• INTVCC電容：INTVCC解耦電容應(yīng)靠近IC連接，可添加1μF陶瓷電容以提高噪聲性能。
• 信號(hào)隔離：開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW1、SW2）、頂部柵極節(jié)點(diǎn)（TG1、TG2）和升壓節(jié)點(diǎn)（BOOST1、BOOST2）應(yīng)遠(yuǎn)離敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)。
• 接地技術(shù)：采用改進(jìn)的星形接地技術(shù)，在PCB板上設(shè)置低阻抗、大面積的中央接地點(diǎn)。

八、總結(jié)

LTC3890 - 1是一款功能強(qiáng)大、性能出色的雙路降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器DC/DC控制器，具有寬輸入輸出電壓范圍、低靜態(tài)電流、多種工作模式、相位鎖定功能等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景合理選擇電流檢測(cè)方法、電感、功率MOSFET、電容等組件，并注意PCB布局，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。希望本文能為電子工程師在使用LTC3890 - 1進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些參考和幫助。你在使用LTC3890 - 1的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。