LT8627SP：高性能同步降壓調(diào)節(jié)器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和噪聲水平。今天，我們就來深入探討一款備受關(guān)注的同步降壓調(diào)節(jié)器——LT8627SP，看看它在實(shí)際應(yīng)用中究竟有何獨(dú)特之處。

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一、產(chǎn)品概述

LT8627SP是一款采用第三代Silent Switcher技術(shù)的同步降壓調(diào)節(jié)器，專為高電流、對噪聲敏感的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它結(jié)合了超低噪聲參考和Silent Switcher架構(gòu)，能夠在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)，提供出色的寬帶噪聲性能。

1. 主要特性亮點(diǎn)

• 超低噪聲性能：在10Hz至100kHz頻段內(nèi)，RMS噪聲低至4μVRMS，10kHz時(shí)的點(diǎn)噪聲僅為4nV/√Hz，這一特性使得它在對噪聲要求極高的應(yīng)用中表現(xiàn)卓越，如RF電源供應(yīng)、高速/高精度ADC/DAC以及低噪聲儀器等。
• 高頻高效：具備內(nèi)部旁路電容，有效降低輻射EMI，能夠在高頻下保持高效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超快的瞬態(tài)響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間低至1μs，最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間僅為15ns。
• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為2.8V至18V，輸出電壓范圍為0V至((PV_{IN}-0.5 ~V))，最大連續(xù)輸出電流可達(dá)16A，可滿足多種不同應(yīng)用場景的需求。
• 高精度參考：在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，參考精度可達(dá)± 0.8%，并支持動(dòng)態(tài)輸出電壓控制，確保輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
• 多相操作：支持多達(dá)12相的PolyPhase?操作，可在高電流應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高效的電源管理。
• 靈活的工作模式：具備可調(diào)且可同步的頻率范圍（300kHz至4MHz），可選擇強(qiáng)制連續(xù)模式或脈沖跳躍模式，以適應(yīng)不同負(fù)載下的效率和性能需求。
• 可編程功率良好指示：通過PGFB引腳可實(shí)現(xiàn)可編程的功率良好指示功能，方便系統(tǒng)監(jiān)控和管理。
• 散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化：采用24引腳4mm × 4mm LQFN封裝，頂部有裸露的芯片，可選擇安裝散熱片，顯著提高散熱性能。

2. 典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如1V 16A 4MHz、2MHz的降壓轉(zhuǎn)換器，3.3V 16A 2MHz的降壓轉(zhuǎn)換器，以及動(dòng)態(tài)電壓控制的1V - 2V 2MHz降壓轉(zhuǎn)換器和0.8V 64A 1MHz的4相降壓轉(zhuǎn)換器等。這些電路詳細(xì)展示了LT8627SP在不同電壓、電流和頻率要求下的具體應(yīng)用方式，為工程師們提供了實(shí)際的設(shè)計(jì)參考。

二、電氣特性詳解

1. 電壓和電流參數(shù)

• 輸入輸出電壓：最低輸入電壓(PV{IN})和(SV{IN})在(V_{SET}=1V)時(shí)為2.6V至2.8V，輸出電壓可通過單個(gè)電阻進(jìn)行編程，電壓范圍可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。
• 引腳電流：SET引腳電流為100μA，快速啟動(dòng)時(shí)的SET引腳電流可達(dá)2.7mA，不同工作條件下的啟動(dòng)時(shí)間也有所不同，具體取決于(C_{SET})電容值等參數(shù)。
• 輸出噪聲特性：在特定條件下，輸出噪聲譜密度（1kHz）為4nV/√Hz，10Hz至100kHz的輸出RMS噪聲為3.7μVRMS，充分體現(xiàn)了其超低噪聲的優(yōu)勢。
• 靜態(tài)電流：(SV_{IN})的靜態(tài)電流在不同工作狀態(tài)下有所變化，如在不切換時(shí)為3.2mA，關(guān)機(jī)時(shí)為55μA。

2. 頻率和閾值參數(shù)

• 振蕩器頻率：通過(R{T})電阻可設(shè)置開關(guān)頻率，范圍為300kHz至4MHz，不同的(R{T})值對應(yīng)不同的開關(guān)頻率，具體可參考文檔中的表格。
• PGFB閾值：PGFB引腳具有上下閾值，分別為537.5mV和462.5mV，且具有5mV的滯后，可用于判斷輸出電壓的狀態(tài)。

3. 開關(guān)特性

• 最小導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間：最小導(dǎo)通時(shí)間為16ns至21ns，最小關(guān)斷時(shí)間為70ns至90ns，確保了快速的開關(guān)響應(yīng)能力。
• 功率MOSFET電流限制：頂部和底部功率N溝道MOSFET的電流限制分別為27A至34A和16A至29A，保護(hù)芯片和系統(tǒng)免受過載故障的影響。

三、性能特點(diǎn)分析

1. 低噪聲優(yōu)勢

傳統(tǒng)的降壓調(diào)節(jié)器在低頻范圍內(nèi)存在多種噪聲源，如參考源、誤差放大器、電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的噪聲以及由此產(chǎn)生的噪聲增益等。而LT8627SP采用了100μA的電流參考，避免了傳統(tǒng)電壓參考中電阻分壓器對參考噪聲的放大問題，實(shí)現(xiàn)了單位增益操作，使輸出噪聲幾乎不受編程輸出電壓的影響。在實(shí)際測試中，其輸出噪聲在10kHz時(shí)典型值為4nV/√Hz，展現(xiàn)出了卓越的低噪聲性能。此外，選擇合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對于實(shí)現(xiàn)良好的瞬態(tài)性能和低噪聲至關(guān)重要，可參考文檔中的頻率補(bǔ)償部分進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2. 濾波和紋波抑制

作為開關(guān)調(diào)節(jié)器，LT8627SP的輸出會(huì)存在開關(guān)頻率的紋波和高頻尖峰。為了有效抑制這些問題，可采用輸出電容吸收部分尖峰，但由于電容ESL的限制，在高頻下效果可能有限。因此，建議采用額外的濾波措施，如饋通電容、鐵氧體磁珠或額外的LC濾波級。饋通電容適用于需要在保持快速瞬態(tài)響應(yīng)的同時(shí)降低開關(guān)紋波的情況，而其他無源濾波解決方案則適用于對瞬態(tài)性能要求不高的場景。在設(shè)計(jì)額外的濾波器時(shí)，使用LTpowerCAD?進(jìn)行設(shè)計(jì)可以確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和足夠的衰減效果。

3. PCB布局建議

為了實(shí)現(xiàn)LT8627SP的最佳性能，PCB布局至關(guān)重要。應(yīng)盡量使用多個(gè)(PV{IN})旁路電容，將兩個(gè)小電容靠近(PV{IN})引腳放置，另一個(gè)較大值（4.7μF或更高）的電容靠近其中一個(gè)小電容放置。同時(shí)，要注意輸入電容形成的環(huán)路應(yīng)盡可能小，選擇具有低寄生電感的小尺寸電容（如0402或0603），并通過在輸入電容的GND側(cè)放置多個(gè)接地過孔，充分利用接地平面，確保輸入電容有低阻抗的返回路徑到IC接地。主電感和輸出電容應(yīng)與IC放置在電路板的同一側(cè)，通過大量使用接地過孔來最小化輸出大容量電容到IC接地的返回路徑阻抗。此外，要注意避免輸入電容的開關(guān)電流通過接地耦合到輸出，可在必要時(shí)在OUTS引腳附近放置一個(gè)小電容進(jìn)行去耦。

四、工作模式與應(yīng)用技巧

1. 強(qiáng)制連續(xù)模式（FCM）

在需要快速瞬態(tài)響應(yīng)和寬負(fù)載范圍內(nèi)全頻率運(yùn)行的應(yīng)用中，可選擇強(qiáng)制連續(xù)模式。在此模式下，振蕩器持續(xù)運(yùn)行，正SW轉(zhuǎn)換與時(shí)鐘同步，允許輕載或大瞬態(tài)條件下的負(fù)電感電流，使芯片能夠從輸出吸收電流并將電荷返回輸入，從而改善負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)。但在輕載時(shí)，F(xiàn)CM的效率低于脈沖跳躍模式。需要注意的是，在(PV{IN})過壓、(V{OUT})過高或啟動(dòng)期間，直到VOUT充電到最終值的92.5%之前，F(xiàn)CM會(huì)被禁用，芯片將切換到脈沖跳躍模式。

2. 脈沖跳躍模式

當(dāng)不處于強(qiáng)制連續(xù)模式時(shí)，LT8627SP將工作在脈沖跳躍模式。在此模式下，振蕩器持續(xù)運(yùn)行，所有開關(guān)周期與時(shí)鐘同步，但不允許負(fù)電感電流。在輕載時(shí)，芯片可能會(huì)以不連續(xù)模式運(yùn)行，并且在非常輕的負(fù)載或高占空比時(shí)，可能會(huì)跳過開關(guān)周期以提高效率或?qū)崿F(xiàn)更好的壓降。要啟用脈沖跳躍模式，只需將SYNC/MODE引腳接地即可。

3. 同步功能

要將LT8627SP振蕩器同步到外部頻率，可將一個(gè)方波信號連接到SYNC/MODE引腳。方波的幅度應(yīng)滿足谷值低于0.4V、峰值高于1.5V（最高6V），最小導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間為50ns。同步期間，芯片將以強(qiáng)制連續(xù)模式運(yùn)行以維持調(diào)節(jié)。(R_{T})電阻應(yīng)選擇為使LT8627SP開關(guān)頻率比最低同步輸入頻率低約20%，以確保斜率補(bǔ)償足夠，避免次諧波振蕩。

4. 開關(guān)頻率設(shè)置

LT8627SP采用恒定頻率PWM架構(gòu)，可通過將電阻從RT引腳連接到GND來編程開關(guān)頻率，范圍為300kHz至4MHz。合理選擇開關(guān)頻率需要權(quán)衡效率、組件尺寸和輸入電壓范圍。高頻操作的優(yōu)點(diǎn)是可以使用更小的電感和電容值，但缺點(diǎn)是效率較低，輸入電壓范圍也較小。在脈沖跳躍模式下，芯片的最大占空比約為99%，而在FCM模式下，最大占空比受最小關(guān)斷時(shí)間和所選開關(guān)頻率的限制。

5. 電感選擇

電感的選擇對于LT8627SP的性能至關(guān)重要。首先，可根據(jù)公式(L=left(frac{V{OUT }+V{SW(BOT)}}{f_{SW}}right) cdot 0.5)選擇合適的電感值，同時(shí)要確保電感的RMS電流額定值大于應(yīng)用的最大預(yù)期輸出負(fù)載，飽和電流額定值高于負(fù)載電流加上電感電流的1/2。為了保持高效率，電感的串聯(lián)電阻（DCR）應(yīng)小于4mΩ，且核心材料應(yīng)適用于高頻應(yīng)用。此外，當(dāng)占空比大于50%時(shí)，需要一定的最小電感值來避免次諧波振蕩。

6. 電容選擇

• 輸入電容：為了獲得最佳性能，(PV{IN})應(yīng)至少使用三個(gè)陶瓷電容進(jìn)行旁路。當(dāng)使用較低的開關(guān)頻率時(shí)，需要更大的輸入電容；如果輸入電源具有高阻抗或存在長導(dǎo)線或電纜的顯著電感，則可能需要額外的大容量電容。當(dāng)(SV{IN})和(PV{IN})由同一電源供電時(shí)，對于對噪聲特別敏感的應(yīng)用，可在電源到(SV{IN})之間添加一個(gè)小的RC濾波器；當(dāng)它們由獨(dú)立電源供電時(shí)，(SV_{IN})應(yīng)靠近引腳放置一個(gè)至少1μF的小陶瓷電容。
• 輸出電容：輸出電容有兩個(gè)主要功能，一是與電感一起過濾LT8627SP產(chǎn)生的方波以產(chǎn)生DC輸出，二是存儲(chǔ)能量以滿足瞬態(tài)負(fù)載和穩(wěn)定控制環(huán)路。陶瓷電容具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR），可提供最佳的紋波性能，建議選擇X5R或X7R類型的電容。通過增加輸出電容的值可以改善瞬態(tài)性能并降低輸出電壓紋波，但同時(shí)也會(huì)增加成本和占用空間；選擇較小的輸出電容可以節(jié)省空間和成本，但可能會(huì)影響瞬態(tài)性能并導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定。

7. 輸出電壓設(shè)置

LT8627SP通過SET引腳的100μA精密電流源和連接到GND的電阻來設(shè)置輸出電壓。誤差放大器的單位增益配置使得OUTS引腳的電壓與SET引腳的電壓相同，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定控制。輸出電壓范圍可從0V（使用0Ω電阻）到6V，在不同的輸出電壓范圍內(nèi)，誤差放大器的輸入對會(huì)自動(dòng)切換，以確保最佳的整體性能。為了實(shí)現(xiàn)更高的精度，建議使用精密電阻，并注意避免SET引腳的泄漏路徑，必要時(shí)可采用高質(zhì)量的絕緣材料和表面涂層。對于需要更高精度或可調(diào)輸出電壓的應(yīng)用，可使用外部電壓源主動(dòng)驅(qū)動(dòng)SET引腳。

8. 軟啟動(dòng)和電源排序

通過在SET引腳使用旁路電容可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，限制輸入電源的浪涌電流。在沒有啟用快速啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)時(shí)間由(R{C})時(shí)間常數(shù)（由SET引腳電阻和電容形成）控制；啟用快速啟動(dòng)后，啟動(dòng)時(shí)間可以顯著縮短。當(dāng)(PV{IN})和(SV{IN})由獨(dú)立電源供電時(shí)，需要考慮電源排序以確保正確的軟啟動(dòng)。為了保證軟啟動(dòng)，在對(PV{IN})、(SV{IN})和EN/UVLO進(jìn)行排序時(shí)，不應(yīng)最后給(PV{IN})供電。如果將EN/UVLO連接到(PV_{IN})，建議通過電阻分壓器連接以設(shè)置適當(dāng)?shù)腢VLO閾值，確保在快速電源循環(huán)時(shí)的正確啟動(dòng)和關(guān)機(jī)行為。

9. 快速啟動(dòng)功能

對于需要超低噪聲和低1/f噪聲（即低于100Hz的頻率）的應(yīng)用，可能需要使用較大值的SET引腳電容（最大可達(dá)22μF）。為了避免因大電容導(dǎo)致的啟動(dòng)時(shí)間過長問題，LT8627SP集成了快速啟動(dòng)電路，在啟動(dòng)期間將SET引腳電流增加到約2.7mA?？焖賳?dòng)電路在PGFB低于Power Good閾值（462.5mV）時(shí)啟動(dòng)，直到PGFB超過該閾值或滿足其他禁用條件（如熱關(guān)斷、(SV{IN})過低或(INTV{CC})過低）為止。同時(shí)，為了防止參考電壓過充，需要滿足一定的最小SET電容要求。

10. 可編程功率良好指示

通過外部電阻分壓器(R{PGFB(TOP)})和(R{PGFB(BOT)})，可以對功率良好閾值進(jìn)行用戶編程。當(dāng)PGFB引腳電壓高于537.5mV或低于462.5mV時(shí)，開漏PG引腳將變?yōu)楦咦杩埂Ｔ诖_定電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮PGFB引腳電流（(I{PGFB})），當(dāng)(R{PGFB(BOT)})小于50k時(shí)，可忽略該電流。此外，在某些情況下，SET引腳的陶瓷電容可能會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)期間SET電壓出現(xiàn)小的下降，從而引起PG引腳的毛刺。為了解決這個(gè)問題，可以在PGFB引腳和GND之間添加一個(gè)小電容(C_{PGFB})來補(bǔ)償SET電壓的下降。

11. 多相操作

對于需要更高輸出電流的應(yīng)用，可將多個(gè)LT8627SP并聯(lián)連接到同一輸出。通過將(V_{C})、OUTS引腳連接在一起，每個(gè)芯片的SW節(jié)點(diǎn)通過各自的電感連接到公共輸出，并將CLKOUT信號連接到下一個(gè)芯片的SYNC/MODE引腳，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的頻率和相位同步。通過設(shè)置PHMODE引腳的不同電壓電平，可以實(shí)現(xiàn)不同的相移，最多可支持12相并聯(lián)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)更好的低頻率噪聲性能、減少組件數(shù)量和更優(yōu)的相之間的電流共享。

12. 輸出電壓高于6V的配置

盡管SET引腳電壓最大限制為6V，但通過使用從(V{OUT})到OUTS的傳統(tǒng)電阻分壓器，LT8627SP可以配置為輸出高于6V的電壓。建議將SET引腳電壓配置為5V，然后根據(jù)公式(R 1=R 2left(frac{V{OUT }-5 V}{5 V+R 2 cdot I_{OUTS }}right))選擇電阻值。需要注意的是，在這種配置中，要考慮OUTS引腳電流，以確保輸出電壓調(diào)節(jié)的誤差小于0.1%。同時(shí)，在輸出電壓高于6V時(shí)，低頻噪聲會(huì)對輸出電壓有一定的依賴性，通過將SET電壓配置為5V，可以最小化這種依賴性。

13. 短路和反接保護(hù)

LT8627SP能夠容忍輸出短路。通過監(jiān)測底部開關(guān)電流，如果電感電流超過安全水平，頂部開關(guān)的導(dǎo)通將被延遲，直到電感電流降至安全水平。在系統(tǒng)中，如果輸出在輸入缺失時(shí)保持高電平，需要考慮不同的情況。例如，當(dāng)(PV{IN})引腳浮空且EN/UVLO引腳保持高電平時(shí)，芯片的內(nèi)部電路將通過SW引腳吸取靜態(tài)電流；如果將EN/UVLO引腳接地，SW引腳電流將降至約55μA。而當(dāng)(PV{IN})引腳接地且輸出保持高電平時(shí)，芯片內(nèi)部的寄生體二極管可能會(huì)從輸出通過SW引腳和(PV_{IN})引腳吸取電流。為了防止短路或反接輸入，可以采用文檔中所示的連接方式，確保芯片僅在輸入電壓存在時(shí)運(yùn)行。

14. 熱管理

LT8627SP的封裝頂部有裸露的芯片，可選擇安裝散熱片，以顯著提高散熱性能。在較高的環(huán)境溫度下，PCB布局對于散熱非常重要。應(yīng)將封裝底部的裸露焊盤焊接到接地平面，并通過熱過孔將其連接到較大的銅層，以擴(kuò)散芯片產(chǎn)生的熱量。增加額外的過孔可以進(jìn)一步降低熱阻。隨著環(huán)境溫度接近最大結(jié)溫額定值，需要降低最大負(fù)載電流。芯片內(nèi)部的過溫保護(hù)功能會(huì)監(jiān)測結(jié)溫，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到約165?C時(shí)，芯片將停止開關(guān)并指示故障狀態(tài)，直到溫度下降約5?C。在高負(fù)載、高(V{IN})和高開關(guān)頻率下運(yùn)行時(shí)，芯片的溫度上升最為嚴(yán)重。如果在特定應(yīng)用中外殼溫度過高，可以通過降低(V{IN})、開關(guān)頻率或負(fù)載電流來將溫度降低到合適的水平。

五、相關(guān)產(chǎn)品對比

文檔中還列出了一些相關(guān)產(chǎn)品，如LT8625S、LT8642S、LTC7151S等，這些產(chǎn)品