LTC3856：高性能雙相同步降壓DC/DC控制器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。而LTC3856作為一款優(yōu)秀的雙相同步降壓DC/DC控制器，為眾多應(yīng)用場(chǎng)景提供了高效、穩(wěn)定的電源解決方案。今天，就讓我們深入探討一下LTC3856的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。

文件下載：LTC3856.pdf

一、LTC3856的特性亮點(diǎn)

1.1 多相控制優(yōu)勢(shì)

LTC3856采用PolyPhase?控制器，能夠有效降低輸入和輸出電容以及電源感應(yīng)噪聲。通過使兩個(gè)控制器輸出階段異相運(yùn)行，不僅減少了電源系統(tǒng)中的干擾，還能實(shí)現(xiàn)高達(dá)12相的操作，為高功率應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。

1.2 寬輸入電壓范圍

其輸入電壓范圍為4.5V至38V，能夠涵蓋大多數(shù)中間總線電壓和電池化學(xué)類型，這使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，具有很強(qiáng)的通用性。

1.3 高精度參考電壓

±0.75%、0.6V的參考電壓精度，確保了輸出電壓的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，滿足了對(duì)電源精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.4 高效率設(shè)計(jì)

最高可達(dá)95%的效率，有效降低了功耗，提高了能源利用率。同時(shí)，它支持可編程的Burst Mode?操作或Stage Shedding?，在輕載情況下能夠進(jìn)一步提高效率。

1.5 其他特性

還具備主動(dòng)電壓定位（AVP）、RSENSE或DCR電流傳感、可編程DCR溫度補(bǔ)償、鎖相固定頻率（250kHz至770kHz）、真遠(yuǎn)程感應(yīng)差分放大器、雙N溝道MOSFET同步驅(qū)動(dòng)等功能，為電源設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性和可靠性。

二、工作原理剖析

2.1 主控制回路

LTC3856采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu)。在正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)頂部MOSFET在振蕩器設(shè)置RS鎖存器時(shí)開啟，當(dāng)主電流比較器ICMP重置RS鎖存器時(shí)關(guān)閉。ICMP重置RS鎖存器的峰值電感電流由ITH引腳的電壓控制，而ITH引腳的電壓是誤差放大器EA的輸出。VFB引腳通過外部電阻分壓器接收輸出電壓反饋信號(hào)的一部分，并與內(nèi)部參考電壓進(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，導(dǎo)致ITH電壓升高，直到每個(gè)電感的平均電流與新負(fù)載電流的一半相匹配。

2.2 INTVCC/EXTVCC電源

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5V線性穩(wěn)壓器從VIN提供INTVCC電源。如果EXTVCC電壓高于4.7V，5V穩(wěn)壓器關(guān)閉，內(nèi)部開關(guān)打開，連接EXTVCC。這樣可以使INTVCC電源從高效的外部源（如開關(guān)穩(wěn)壓器輸出）獲取。

2.3 關(guān)機(jī)和啟動(dòng)

通過RUN引腳可以關(guān)閉LTC3856。將RUN引腳拉低至1.22V以下，會(huì)關(guān)閉控制器的主控制回路和大多數(shù)內(nèi)部電路，包括INTVCC穩(wěn)壓器。釋放RUN引腳后，內(nèi)部1μA電流源將引腳拉高，使控制器啟用?？刂破鬏敵鲭妷篤OUT的啟動(dòng)由TK/SS引腳的電壓控制。當(dāng)TK/SS引腳電壓低于0.6V內(nèi)部參考電壓時(shí)，LTC3856將VFB電壓調(diào)節(jié)到TK/SS引腳電壓，而不是0.6V參考電壓。通過在TK/SS引腳連接外部電容到SGND，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。

2.4 輕載電流操作

LTC3856可以進(jìn)入高效的Burst Mode操作、Stage Shedding模式或強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式。通過MODE引腳的不同連接方式來選擇相應(yīng)的模式。在Burst Mode操作中，電感中的峰值電流設(shè)置為最大感應(yīng)電壓的約六分之一，當(dāng)平均電感電流高于負(fù)載電流時(shí)，誤差放大器EA會(huì)降低ITH引腳的電壓，當(dāng)ITH電壓下降時(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。在Stage Shedding模式下，當(dāng)ITH電壓低于一定閾值時(shí)，第二通道停止切換，第一通道的電流增益增加，以確保平穩(wěn)過渡。

2.5 多芯片操作

LTC3856的兩個(gè)通道相差180°，提供多相操作。通過PHASMD和CLKOUT引腳，可以使多個(gè)LTC3856異相運(yùn)行，以滿足更高功率的應(yīng)用需求。CLKOUT信號(hào)的相位根據(jù)PHASMD引腳的設(shè)置而變化。

2.6 頻率選擇和鎖相環(huán)

開關(guān)頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。如果PLLIN引腳沒有由外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，可以使用FREQ引腳將控制器的工作頻率編程為250kHz至770kHz。LTC3856還具備鎖相環(huán)（PLL），可以將內(nèi)部振蕩器同步到連接到PLLIN引腳的外部時(shí)鐘源。

2.7 差分放大器輸出電壓感應(yīng)

LTC3856包含一個(gè)低失調(diào)、單位增益、高帶寬的差分放大器，用于需要真正遠(yuǎn)程感應(yīng)的應(yīng)用。直接跨負(fù)載電容感應(yīng)負(fù)載，在高電流、低電壓應(yīng)用中大大有利于調(diào)節(jié)，因?yàn)殡娐钒寤ミB損耗可能是總誤差預(yù)算的重要部分。

2.8 電源良好指示

PGOOD引腳連接到內(nèi)部N溝道MOSFET的漏極。當(dāng)VFB引腳電壓不在0.6V參考電壓的±10%范圍內(nèi)時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，將PGOOD引腳拉低。當(dāng)VFB引腳電壓在調(diào)節(jié)窗口內(nèi)時(shí)，MOSFET關(guān)閉，引腳可以通過外部電阻上拉到最高6V的電源。

2.9 輸出過壓保護(hù)

過壓比較器OV可以防止瞬態(tài)過沖（>10%）以及其他可能導(dǎo)致輸出過壓的嚴(yán)重情況。在這種情況下，頂部MOSFET關(guān)閉，底部MOSFET打開，直到過壓條件消除。

2.10 欠壓鎖定

LTC3856有兩個(gè)功能可以幫助在欠壓情況下保護(hù)控制器。精密UVLO比較器不斷監(jiān)測(cè)INTVCC電壓，以確保存在足夠的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)INTVCC低于3.2V時(shí)，鎖定開關(guān)動(dòng)作。為了防止INTVCC出現(xiàn)干擾時(shí)振蕩，UVLO比較器具有600mV的精密遲滯。另一種檢測(cè)欠壓情況的方法是監(jiān)測(cè)VIN電源，通過電阻分壓器將RUN引腳連接到VIN，當(dāng)VIN足夠高時(shí)開啟IC。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 電流限制編程

ILIM引腳是一個(gè)三電平邏輯輸入，用于設(shè)置控制器的最大電流限制。當(dāng)ILIM接地、浮空或連接到INTVCC時(shí)，最大電流感應(yīng)閾值的典型值分別為30mV、50mV或75mV。對(duì)于最佳電流限制精度，建議使用75mV設(shè)置；30mV設(shè)置允許使用非常低DCR的電感或感測(cè)電阻，但會(huì)犧牲電流限制精度；50mV設(shè)置是兩者之間的良好平衡。

3.2 電流傳感方案

可以選擇DCR（電感電阻）傳感或低值電阻傳感。DCR傳感在高電流應(yīng)用中越來越受歡迎，因?yàn)樗?jié)省了昂貴的電流傳感電阻，并且更節(jié)能，但電流傳感電阻能為控制器提供最準(zhǔn)確的電流限制。在選擇外部組件時(shí)，首先根據(jù)負(fù)載要求選擇RSENSE（如果使用）和電感值，然后選擇功率MOSFET，最后選擇輸入和輸出電容。

3.3 電感DCR傳感及溫度補(bǔ)償

在需要高負(fù)載電流下實(shí)現(xiàn)最高效率的應(yīng)用中，LTC3856能夠感應(yīng)電感DCR上的電壓降。通過選擇合適的外部濾波器組件，可以確保在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的電流限制。同時(shí)，LTC3856還提供DCR溫度補(bǔ)償電路，通過將NTC溫度傳感電阻放置在電感附近，可以主動(dòng)校正由于電感DCR溫度系數(shù)導(dǎo)致的誤差。

3.4 斜率補(bǔ)償和電感峰值電流

斜率補(bǔ)償通過在占空比超過40%時(shí)向電感電流信號(hào)添加補(bǔ)償斜坡，防止恒定頻率、電流模式架構(gòu)中的次諧波振蕩。LTC3856采用一種方案來抵消這個(gè)補(bǔ)償斜坡，使最大電感峰值電流在所有占空比下保持不受影響。

3.5 電感值計(jì)算和輸出紋波電流

電感值和工作頻率相互關(guān)聯(lián)，較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)降低效率。在PolyPhase轉(zhuǎn)換器中，由于紋波抵消，輸出電容看到的凈紋波電流遠(yuǎn)小于單個(gè)電感紋波電流。

3.6 功率MOSFET和肖特基二極管選擇

每個(gè)功率級(jí)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。在選擇MOSFET時(shí)，需要考慮電壓降壓比以及MOSFET的實(shí)際位置（主或同步）?？蛇x的肖特基二極管可以在兩個(gè)大功率MOSFET導(dǎo)通之間的死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，防止底部MOSFET的體二極管導(dǎo)通，提高效率。

3.7 CIN和COUT選擇

在連續(xù)模式下，每個(gè)頂部N溝道MOSFET的源電流是占空比為VOUT/VIN的方波，需要使用為最大RMS電流設(shè)計(jì)的低ESR輸入電容。輸出電容COUT的選擇取決于所需的有效串聯(lián)電阻（ESR），通常滿足ESR要求后，電容就足以進(jìn)行濾波。

3.8 差分放大器和主動(dòng)電壓定位

LTC3856的差分放大器可以拒絕反饋PC跡線中電容或電感輻射的共模信號(hào)以及接地環(huán)路干擾。主動(dòng)電壓定位（AVP）方案可以根據(jù)負(fù)載電流修改調(diào)節(jié)輸出電壓，提高整體瞬態(tài)響應(yīng)并節(jié)省功耗。

3.9 可編程階段 shedding模式和Burst Mode操作

當(dāng)MODE引腳連接到INTVCC時(shí)，LTC3856進(jìn)入Stage Shedding模式，第二通道在ITH低于一定編程閾值時(shí)停止切換。當(dāng)MODE引腳浮空時(shí)，LTC3856進(jìn)入Burst Mode操作，兩個(gè)通道在ITH低于一定閾值時(shí)停止切換。

3.10 軟啟動(dòng)和跟蹤

LTC3856可以通過在TK/SS引腳連接電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，也可以跟蹤另一個(gè)外部電源的輸出。在軟啟動(dòng)或跟蹤過程中，通過控制TK/SS引腳的電壓斜坡率來控制輸出電壓的上升。

3.11 INTVCC（LDO）和EXTVCC

LTC3856具有一個(gè)真正的PMOS LDO，從VIN電源為INTVCC供電。EXTVCC可以在其電壓高于4.7V時(shí)為INTVCC提供電源。在高輸入電壓應(yīng)用中，需要注意防止LTC3856的最大結(jié)溫超過額定值。

3.12 設(shè)置輸出電壓

如果不使用DIFFAMP，LTC3856的輸出電壓由跨輸出放置的外部反饋電阻分壓器設(shè)置。如果使用差分放大器，VFB應(yīng)連接到差分放大器的輸出DIFFOUT。

3.13 故障條件處理

LTC3856包括電流折返功能，當(dāng)輸出短路到地時(shí)，幫助限制負(fù)載電流。在短路情況下，LTC3856會(huì)開始跳周期以限制短路電流。

3.14 鎖相環(huán)和頻率同步

LTC3856的鎖相環(huán)（PLL）由內(nèi)部壓控振蕩器（VCO）和相位檢測(cè)器組成，可以將控制器1的頂部MOSFET的導(dǎo)通鎖定到施加到PLLIN引腳的外部時(shí)鐘信號(hào)的上升沿。

3.15 效率考慮

效率受到多種因素的影響，包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、過渡損耗等。在設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮這些因素，以提高電源的整體效率。

3.16 瞬態(tài)響應(yīng)檢查

可以通過觀察負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)來檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)。ITH引腳不僅可以優(yōu)化控制環(huán)路行為，還提供了一個(gè)直流耦合和交流濾波的閉環(huán)響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)。

四、設(shè)計(jì)示例

以一個(gè)使用兩相的設(shè)計(jì)為例，假設(shè)輸入電壓VIN = 5V（標(biāo)稱），VIN = 5.5V（最大），輸出電壓VOUT = 1.8V，最大電流IMAX = 20A，環(huán)境溫度TA = 70°C，開關(guān)頻率f = 300kHz。首先根據(jù)30%紋波電流假設(shè)選擇電感值，然后計(jì)算RSENSE電阻值，接著估算功率MOSFET的功耗，最后計(jì)算輸入和輸出電容的紋波電流。

五、PCB布局檢查清單

在進(jìn)行印刷電路板布局時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 信號(hào)和電源接地路徑應(yīng)采用Kelvin連接，將SGND置于印刷電路路徑的一端，防止MOSFET電流在IC下方流動(dòng)。INTVCC去耦電容應(yīng)緊鄰IC放置在INTVCC引腳和PGND平面之間。
2. IC的DIFFP引腳應(yīng)連接到COUT的正極板，在DIFFP和VFB引腳之間應(yīng)盡可能靠近IC放置一個(gè)30pF至300pF的前饋電容。
3. 每個(gè)通道的SENSE–和SENSE+印刷電路跡線應(yīng)緊密路由，每個(gè)通道的SENSE+和SENSE–之間的濾波電容應(yīng)盡可能靠近IC引腳。
4. CPWR的正極板應(yīng)盡可能靠近頂部MOSFET的漏極連接。
5. 應(yīng)將開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SWn、BOOSTn和TGn）遠(yuǎn)離敏感的小信號(hào)節(jié)點(diǎn)（SENSE+、SENSE–、DIFFP、DIFFN、VFB、ITEMP），并使用接地跡線或接地平面將高dv/dt跡線與敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)分開。
6. 使用低阻抗源（如邏輯門）驅(qū)動(dòng)PLLIN引腳，并保持引線盡可能短。
7. ITH引腳和信號(hào)接地之間的47pF至330pF陶瓷電容應(yīng)盡可能靠近IC放置。

六、總結(jié)

LTC3856作為一款功能強(qiáng)大的雙相同步降壓DC/DC控制器，具有眾多優(yōu)秀的特性和豐富的功能。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和設(shè)計(jì)要求，合理選擇組件、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和PCB布局，以充分發(fā)揮LTC3856的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源解決方案。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，我們還需要不斷考慮各種因素對(duì)電源性能的影響，如效率、瞬態(tài)響應(yīng)、溫度補(bǔ)償?shù)?，以確保設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。你在使用LTC3856進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。