深入剖析LTC7899：高性能DC/DC控制器的卓越之選

在電子工程師的設(shè)計工作中，選擇一款合適的DC/DC控制器至關(guān)重要。今天，我們就來詳細探討一下Analog Devices的LTC7899，一款具有出色性能和廣泛應(yīng)用場景的負(fù)到正同步升壓控制器。

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一、關(guān)鍵特性概述

LTC7899具有眾多令人矚目的特性，使其在同類產(chǎn)品中脫穎而出。

1. 輸入輸出轉(zhuǎn)換能力

它能夠?qū)⒇?fù)輸入轉(zhuǎn)換為正輸出，并且輸出電壓相對于地進行調(diào)節(jié)，擁有4V至135V（140V ABS MAX）的寬 (|V{IN }|+V{OUT }) 范圍，這為不同的電源應(yīng)用提供了極大的靈活性。

2. 便捷的輸出電壓編程

通過內(nèi)部反饋電平轉(zhuǎn)換器，僅需兩個電阻就能輕松實現(xiàn)輸出電壓的編程，大大簡化了設(shè)計過程。

3. 可調(diào)的柵極驅(qū)動

柵極驅(qū)動電壓可在5V至10V之間進行編程（OPTI - DRIVE，14V ABS MAX），同時還具備可調(diào)的驅(qū)動器電壓欠壓鎖定（UVLO）功能，能夠適配不同類型的MOSFET，實現(xiàn)效率的最大化。

4. 靈活的死區(qū)時間控制

支持自適應(yīng)或電阻可調(diào)的死區(qū)時間，以及分路輸出柵極驅(qū)動器，可調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動器的強度，有效提升電路性能。

5. 其他特性

具備擴頻頻率調(diào)制功能，可顯著降低輸入和輸出電源上的峰值輻射和傳導(dǎo)噪聲；可編程頻率范圍為100kHz至2.5MHz，且頻率可鎖相；采用28引腳（4mm x 5mm）QFN封裝，節(jié)省空間。

二、典型應(yīng)用場景

LTC7899的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋了工業(yè)電源系統(tǒng)、軍事/航空電子以及電信電源系統(tǒng)等多個領(lǐng)域。在這些場景中，它能夠穩(wěn)定可靠地工作，為設(shè)備提供高效的電源轉(zhuǎn)換。

三、工作原理詳解

1. 主控制回路

LTC7899采用恒定頻率、峰值電流模式架構(gòu)。在正常運行時，外部底部MOSFET在時鐘置位RS鎖存器時導(dǎo)通，電感電流增加；當(dāng)主電流比較器ICMP復(fù)位RS鎖存器時，主開關(guān)關(guān)斷。底部MOSFET關(guān)斷后，頂部MOSFET導(dǎo)通，電感電流減小，直到電感電流開始反向或下一個時鐘周期開始。

2. 電源和偏置電源

頂部和底部MOSFET驅(qū)動器的電源來自DRV引腳。V (BIAS) 和 (EXTV {cc}) 引腳的LDO可為DRV提供5V至10V的可編程電源。當(dāng) (EXTV {cc}) 引腳電壓低于其切換電壓時，V (BIAS) LDO為DRV供電；當(dāng) (EXTV {cc}) 電壓高于切換電壓時， (EXTV {cc}) LDO開啟并為DRV供電。 (INTV _{cc}) LDO將電壓穩(wěn)定在4.5V，為LTC7899的大部分內(nèi)部電路供電。

3. 高端自舉電容

頂部MOSFET驅(qū)動器由浮動自舉電容 (C_{B}) 偏置，該電容通常在每個周期通過BOOST和DRV之間的外部二極管充電。LTC7899還具備內(nèi)部電荷泵，在強制連續(xù)模式和脈沖跳過模式下始終工作，在突發(fā)模式下睡眠時關(guān)閉，喚醒時開啟，可提供約80μA的充電電流。

4. 死區(qū)時間控制

通過配置DTCA和DTCB引腳，LTC7899的死區(qū)時間延遲可在13ns至100ns之間進行編程。DTCA引腳控制底部MOSFET關(guān)斷和頂部MOSFET導(dǎo)通的死區(qū)時間，DTCB引腳控制頂部MOSFET關(guān)斷和底部MOSFET導(dǎo)通的死區(qū)時間。

5. 啟動和關(guān)斷

使用RUN引腳可實現(xiàn)LTC7899的關(guān)斷。將RUN引腳拉至1.1V以下可關(guān)閉主控制回路，拉至0.7V以下可禁用控制器和大部分內(nèi)部電路，此時靜態(tài)電流僅為1μA。SS引腳用于控制輸出電壓 (Vout) 的啟動，通過連接到 (V_{IN}^{-}) 的外部電容和內(nèi)部9μA上拉電流，可實現(xiàn)輸出電壓的軟啟動。

6. 輕載操作模式

LTC7899可在輕載時進入高效突發(fā)模式、恒定頻率脈沖跳過模式或強制連續(xù)導(dǎo)通模式。通過MODE引腳進行選擇：將MODE引腳連接到 (VIN) 選擇突發(fā)模式；連接到 (INTVCC) 選擇強制連續(xù)模式；通過100k電阻連接到 (INTVCC) 選擇脈沖跳過模式。

7. 頻率選擇和鎖相環(huán)

開關(guān)頻率的選擇需要在效率和元件尺寸之間進行權(quán)衡。LTC7899的自由運行開關(guān)頻率可通過FREQ引腳進行選擇，可設(shè)置為370kHz、2.25MHz或通過外部電阻在100kHz至2.5MHz之間編程。通過將PLLIN/SPREAD引腳連接到 (INTV) 可開啟擴頻模式，降低電磁干擾。同時，LTC7899具備鎖相環(huán)，可將內(nèi)部振蕩器與外部時鐘源同步。

8. 多相應(yīng)用

LTC7899的CLKOUT和PHASMD引腳可用于多相應(yīng)用，通過CLKOUT引腳的時鐘輸出信號可同步多個功率級，PHASMD引腳可調(diào)整CLKOUT信號的相位。

9. 輸出過壓保護

當(dāng) (VFBB) 引腳電壓比其1.2V的調(diào)節(jié)點高出10%以上時，頂部MOSFET關(guān)斷，電感電流不允許反向，從而保護輸出免受瞬態(tài)過沖和其他過壓情況的影響。

10. 低輸入電壓操作

LTC7899具有軌到軌電流比較器，可在相對于 (V_{IN}^{-}) 為零伏的情況下工作，最低轉(zhuǎn)換器輸入電壓由轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的實際限制決定。

11. BOOST電源刷新

在啟動時，如果底部MOSFET在UVLO變低后100μs內(nèi)未導(dǎo)通，底部MOSFET將被強制導(dǎo)通約400ns的累積導(dǎo)通時間，以產(chǎn)生足夠的BOOST - SW電壓，使頂部MOSFET完全增強。

12. 電源良好指示

PGOOD引腳連接到內(nèi)部N溝道MOSFET的漏極開路。當(dāng) (VFBB) 電壓不在1.2V參考值的±10%范圍內(nèi)或RUN引腳為低電平時，MOSFET導(dǎo)通，PGOOD引腳被拉低；當(dāng) (VFBB) 電壓在要求范圍內(nèi)時，MOSFET關(guān)斷，PGOOD引腳可通過外部電阻上拉至不超過6V的電源。

四、應(yīng)用信息與設(shè)計要點

1. 電感選擇

電感值的計算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，但會增加MOSFET的開關(guān)和柵極電荷損耗，降低效率。合理的電感紋波電流設(shè)定為 (Delta I{L}=0.3 cdot I{L( MAX )}) ，最大紋波電流在 (|V{IN}|=V{OUT }) 時出現(xiàn)。電感值還會影響進入突發(fā)模式的負(fù)載電流和突發(fā)頻率。在選擇電感類型時，對于高效率調(diào)節(jié)器，通常選擇鐵氧體或鉬坡莫合金磁芯，以減少磁芯損耗。

2. 電流檢測選擇

LTC7899可配置為使用電感直流電阻（DCR）檢測或低值電阻檢測。DCR檢測可節(jié)省成本和功耗，尤其在高電流應(yīng)用中更為高效，但電流檢測電阻能提供更準(zhǔn)確的電流限制。SENSE +和SENSE - 引腳是電流比較器的輸入，其共模電壓范圍為0V至140V。在進行電流檢測時，應(yīng)將濾波元件靠近LTC7899放置，確保檢測線靠近電流檢測元件的Kelvin連接。

3. 工作頻率設(shè)置

工作頻率的選擇需要在效率和元件尺寸之間找到平衡。較高的頻率允許使用較小的電感和電容值，但會增加開關(guān)損耗；較低的頻率可提高效率，但需要更大的電感和輸出電容來維持低輸出紋波電壓。可通過FREQ和PLLIN/SPREAD引腳設(shè)置開關(guān)頻率，還可選擇擴頻模式以改善電磁干擾性能。

4. 輕載操作模式選擇

根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的輕載操作模式。突發(fā)模式在輕載時效率最高，但輸出電壓紋波較大；強制連續(xù)模式輸出電壓紋波小，對音頻電路干擾小，但輕載效率較低；脈沖跳過模式在輕載效率、輸出紋波和電磁干擾之間取得了折衷。

5. 死區(qū)時間控制

通過配置DTCA和DTCB引腳可調(diào)整死區(qū)時間延遲。將DTCx引腳連接到 (V{IN}^{-}) 或 (INTV) 可實現(xiàn)自適應(yīng)死區(qū)時間控制，連接電阻到 (V{IN}^{-}) 可實現(xiàn)13ns至100ns的額外延遲。

6. 功率MOSFET選擇

需要選擇兩個外部N溝道MOSFET，分別作為底部（主）開關(guān)和頂部（同步）開關(guān)。MOSFET的擊穿電壓 (BVDss) 必須大于 (V{OUT }+|V{IN(MIN) }|) 。通過調(diào)整柵極驅(qū)動電平可優(yōu)化電路效率，選擇MOSFET時需考慮導(dǎo)通電阻、米勒電容、輸入電壓和最大輸出電流等因素。

7. 輸入和輸出電容選擇

輸入電容 (C{IN}) 的電壓額定值應(yīng)超過最大輸入電壓，其值取決于源阻抗和占空比。輸出電容 (C{out }) 應(yīng)根據(jù)輸出電壓紋波要求進行選擇，需考慮ESR和體電容的影響。

8. 輸出電壓設(shè)置

通過外部電阻跨接在輸出和 (V FBA) 、VFBB引腳之間設(shè)置輸出電壓，計算公式為 (V{OUT }=1.2 Vleft(frac{R{A}}{R_{B}}right)) 。應(yīng)將電阻靠近引腳放置，以減少PCB走線長度和噪聲。

9. RUN引腳和欠壓鎖定

RUN引腳用于啟用LTC7899，具有1.2V的上升閾值和100mV的滯后。將RUN引腳拉至1.1V以下可關(guān)閉主控制回路，拉至0.7V以下可禁用控制器和大部分內(nèi)部電路。RUN引腳可配置為輸入電源的精確欠壓鎖定。

10. 軟啟動

通過連接到 (V_{IN}^{-}) 的外部電容和內(nèi)部9μA電流源，SS引腳可實現(xiàn)輸出電壓的軟啟動。

11. (DRV {cc}) 和 (INTV {cc}) 調(diào)節(jié)器

LTC7899具有兩個內(nèi)部LDO線性調(diào)節(jié)器，分別為 (DRV {cc}) 和 (INTV {cc}) 供電。 (DRV {cc}) 引腳為MOSFET柵極驅(qū)動器和 (INTV {cc}) LDO調(diào)節(jié)器供電， (INTV {cc}) 引腳為大部分內(nèi)部電路供電。通過DRVSET引腳可編程 (DRV {cc}) 電源電壓，DRVUV引腳可選擇不同的 (DRV {cc}) UVLO和 (EXTV {cc}) 切換閾值電壓。

12. 頂部MOSFET驅(qū)動器電源

外部自舉電容 (C{B}) 連接到BOOST引腳，為頂部MOSFET提供柵極驅(qū)動電壓。電容 (C{B}) 在底部MOSFET導(dǎo)通時通過外部二極管 (D{B}) 從 (DRV {cc}) 充電。 (D{B}) 應(yīng)選擇低泄漏和快速恢復(fù)的二極管，其反向擊穿電壓必須大于 (V{OUT }+|V_{IN(MAX) }|) 。

13. 最小導(dǎo)通時間考慮

最小導(dǎo)通時間 (t{ON(MIN)}) 是LTC7899能夠?qū)ǖ撞縈OSFET的最小時間，約為120ns。在低占空比應(yīng)用中，應(yīng)確保 (t{ON(MIN)}{OUT}}{left(V{OUT}+left|V_{IN}^{-}right|right) cdot f}) ，否則控制器會開始跳周期，導(dǎo)致輸出電壓紋波和電流增加。

14. 故障保護

LTC7899具備過溫保護功能，當(dāng)內(nèi)部管芯溫度超過180°C時， (DRV _{cc}) LDO調(diào)節(jié)器和柵極驅(qū)動器將被禁用；當(dāng)管芯冷卻到160°C時，LTC7899重新啟用LDO調(diào)節(jié)器并開始軟啟動。

15. 鎖相環(huán)和頻率同步

LTC7899的內(nèi)部鎖相環(huán)可將底部MOSFET的導(dǎo)通與外部時鐘信號的上升沿同步。通過FREQ引腳設(shè)置自由運行頻率接近所需同步頻率，可實現(xiàn)快速鎖相。當(dāng)與外部時鐘同步時，LTC7899根據(jù)MODE引腳的設(shè)置工作在脈沖跳過模式或強制連續(xù)模式。

五、設(shè)計示例

以標(biāo)稱輸入電壓 (V = –48V) （范圍為–60V至–36V），輸出電壓 (V{OUT }=12 ~V) ，開關(guān)頻率 (f{s w}=200 kHz) 為例，設(shè)計應(yīng)用電路的步驟如下：

1. 設(shè)置工作頻率：使用公式 (R{FREQ}( in k Omega)=frac{37 MHz}{200 kHz}=185 k Omega) 計算FREQ引腳到 (V{IN }) 的電阻值。
2. 確定電感值：根據(jù)電感紋波電流為30%，使用公式 (L=frac{left|V{IN}-right|}{f{SW} cdotleft(Delta I{L}right)}left(frac{V{OUT }}{left|V{IN}-right|+V{OUT}}right)=7.5 mu H) 計算電感值。
3. 驗證最小導(dǎo)通時間：在 (V{IN(MAX) }) 時，計算 (t{ON(MIN)}{OUT}}{left(left|V{IN(MAX)-}right|+V{OUT}right) cdot f{SW}}=frac{12 V}{60 V cdot 200 k}=1 mu s) ，滿足最小導(dǎo)通時間要求。
4. 選擇 (Rsense) 電阻值：根據(jù)峰值電感電流和最大電流檢測閾值，計算 (R_{SENSE} leq frac{45 mV}{13 A} cong 3 m Omega) ，可選擇2mΩ的電阻。
5. 選擇反饋電阻：選擇 (R{A}=20 k Omega) 和 (R{B}=2 k Omega) 的1%電阻，可得到12.0V的輸出電壓。
6. 選擇MOSFET：選擇擊穿電壓 (B{VDSS }>left(V{OUT }+left|V{IN (MAX) }right|right)=72 V) 的MOSFET，底部MOSFET選擇低 (RDS(ON)) 的器件，頂部MOSFET選擇低 (R{DS(ON)}) 、高柵極電荷的器件。
7. 選擇輸入和輸出電容：根據(jù)輸出電壓紋波要求選擇電容，確保 (V{ORIPPLE }=ESR cdot Delta I{L}=10 m Omega * 3.2 A=32 mV V_{P-P }) 。
8. 確定偏置電源組件：使用調(diào)節(jié)后的輸出電壓為 (EXTV {cc}) 偏置，選擇0.1μF的電容用于SS引腳實現(xiàn)8ms的軟啟動，選擇 (DRVcc) 電容 (C{DRVCC }=4.7 mu F) 、 (C_{INTVcc }=0.1 mu F) 。
9. 設(shè)置應(yīng)用特定參數(shù)：根據(jù)輕載效率和恒定頻率操作的權(quán)衡設(shè)置MODE引腳，根據(jù)需要設(shè)置PLLIN/SPREAD引腳，使用RUN引腳控制調(diào)節(jié)器的最小輸入電壓或連接到V (BIAS) 實現(xiàn)始終開啟操作，使用典型應(yīng)用中的ITH補償組件作為初始猜測，檢查瞬態(tài)響應(yīng)并根據(jù)需要進行修改。

六、PCB布局要點

1. 布局檢查清單

• 確保BGUP和BGDN走線一起布線，并盡可能靠近底部MOSFET柵極連接；TGUP和TGDN走線同理。
• 信號地和功率地分開，IC (V{IN}^{-}) 引腳和 (C{DRVCC}) 的 (V{IN}^{-}) 返回端應(yīng)連接到 (C{IN}) 的負(fù)端，頂部N溝道MOSFET和 (C_{IN}) 電容器的路徑應(yīng)短。
• (V FBA) 引腳電阻應(yīng)連接到 (C_{OUT}) 的正端， (V FBA) 和 (VFBB) 電阻應(yīng)靠近各自的VFB引腳放置，避免噪聲耦合。
• SENSE - 和SENSE + 引線應(yīng)一起布線，間距最小，盡可能在內(nèi)部層遠離高頻開關(guān)節(jié)點，SENSE + 和SENSE - 之間的濾波電容應(yīng)靠近IC。
• (DRV {cc}) 去耦電容應(yīng)靠近IC連接在 (DRV {cc}) 和功率 (V_{IN}^{-}) 引腳之間，可額外放置1μF陶瓷電容改善噪聲性能。
• 開關(guān)節(jié)點（SW）、頂部柵極節(jié)點（TGUP和TGDN）和升壓節(jié)點（BOOST）應(yīng)遠離敏感小信號節(jié)點，占據(jù)最小的PCB走線面積。
• 使用改進的星形接地技術(shù)，在PCB與輸入和輸出電容器同一側(cè)設(shè)置低阻抗、大銅面積的中央接地點。
• 使用單獨的走線和