LTC7806：高性能2相單輸出同步升壓控制器的設計與應用

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的電源管理芯片對于設計的成功至關重要。LTC7806作為一款高性能的2相單輸出同步升壓控制器，在諸多應用場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。今天，我們就來深入探討一下LTC7806的特性、工作原理以及應用設計要點。

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一、LTC7806的特性亮點

1. 2相操作優(yōu)勢

LTC7806采用2相操作，這一特性大大降低了所需的輸入和輸出電容，同時減少了電源引起的噪聲。與單相同步升壓控制器相比，2相操作允許使用更小的電感，并且提高了效率，減少了散熱需求。

2. 寬輸入電壓范圍

其輸入電壓范圍為4.5V至40V，啟動后甚至可以低至1V運行，輸出電壓最高可達40V。這種寬輸入電壓范圍使得LTC7806適用于各種不同的電源環(huán)境。

3. 低靜態(tài)電流

低工作靜態(tài)電流僅為18μA，關機時靜態(tài)電流更是低至1.5μA，這對于電池供電系統(tǒng)來說尤為重要，可以有效延長電池的使用壽命。

4. 同步整流與PassThru功能

同步整流提高了效率，減少了功率損耗，而PassThru功能在汽車啟停應用中可以將損耗降至最低。

5. 頻率靈活性

具有可編程固定頻率（100kHz至3MHz）和鎖相頻率（100kHz至3MHz）的功能，還支持擴頻操作，可有效降低電磁干擾（EMI）。

6. 多種輕載操作模式

可選擇連續(xù)、脈沖跳過或低紋波Burst Mode?操作，以滿足不同應用場景下對效率和輸出紋波的要求。

二、工作原理剖析

1. 主控制回路

LTC7806采用恒定頻率、峰值電流模式架構(gòu)，兩個通道以180°異相運行。在正常操作中，主開關（外部底部MOSFET）在時鐘信號使SR鎖存器置位時導通，電感電流增加；當主電流比較器ICMP使SR鎖存器復位時，主開關關閉。之后，同步開關（外部頂部MOSFET）導通，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. 電源與偏置供應

INTVCC引腳為頂部和底部MOSFET驅(qū)動器以及大部分內(nèi)部電路供電。VBIAS和EXTVCC引腳的LDO可提供5.4V的INTVCC電源。當EXTVCC引腳電壓低于4.65V時，VBIAS LDO供電；當EXTVCC引腳電壓高于4.65V時，EXTVCC LDO供電。

3. 關機與啟動

通過拉低RUN引腳至1.1V以下可關閉主控制回路，拉低至0.7V以下可禁用大部分內(nèi)部電路，此時靜態(tài)電流僅為1.5μA。啟動時，SS引腳控制輸出電壓的軟啟動，通過內(nèi)部12.5μA的上拉電流對外部電容充電，使輸出電壓平滑上升。

4. 輕載操作模式

• Burst Mode：效率最高，電感電流不允許反向，在輕載時進入低電流睡眠模式。
• 強制連續(xù)模式：電感電流在輕載時允許反向，輸出電壓紋波低，對音頻電路干擾小。
• 脈沖跳過模式：在輕載時保持恒定頻率操作，輸出紋波和音頻噪聲較低，效率介于Burst Mode和強制連續(xù)模式之間。

5. 頻率選擇與鎖相環(huán)

通過FREQ引腳選擇自由運行的開關頻率，可在100kHz至3MHz之間編程。PLLIN/SPREAD引腳可實現(xiàn)鎖相環(huán)功能，將內(nèi)部振蕩器與外部時鐘源同步，還可啟用擴頻模式以改善EMI性能。

6. 多相應用

CLKOUT引腳可用于在多相系統(tǒng)中級聯(lián)多個LTC7806，實現(xiàn)多相解決方案，進一步降低輸入和輸出電壓紋波。

7. 過壓模式選擇

OVMODE引腳用于選擇過壓事件時的操作模式。接地時，啟用過壓保護，頂部MOSFET持續(xù)導通；接INTVCC時，禁用過壓保護，控制器的行為取決于所選的操作模式。

三、應用設計要點

1. 電感選擇

電感值的選擇與工作頻率密切相關。較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會降低效率。一般來說，合理的紋波電流設置為ΔIL = 0.3 · IL(MAX)，最大紋波電流發(fā)生在VIN = VOUT / 2時。同時，要考慮電感的飽和電流，避免電感飽和導致輸出電壓紋波增大。

2. 電流感測選擇

LTC7806可配置為使用DCR（電感電阻）感測或低值電阻感測。DCR感測節(jié)省成本且功率效率高，但電流感測電阻提供更準確的電流限制。在選擇時，要根據(jù)成本、功耗和精度進行權衡。

3. 工作頻率設置

工作頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權衡。高頻操作允許使用較小的電感和電容值，但會增加開關和柵極電荷損耗；低頻操作可提高效率，但需要更大的電感值和/或更多的輸出電容來保持低輸出紋波電壓。

4. 輕載操作模式選擇

根據(jù)應用需求選擇合適的輕載操作模式。如果對效率要求較高，可選擇Burst Mode；如果對輸出電壓紋波和音頻噪聲要求較低，可選擇強制連續(xù)模式或脈沖跳過模式。

5. 功率MOSFET選擇

為每個通道選擇兩個外部功率MOSFET，即底部（主）開關和頂部（同步）開關。要注意MOSFET的BVDSS規(guī)格和邏輯電平閾值，同時考慮導通電阻RDS(ON)、米勒電容CMILLER、輸入電壓和最大輸出電流等因素。

6. CIN和COUT選擇

2相架構(gòu)降低了CIN和COUT的要求。輸入電容CIN的電壓額定值應超過最大輸入電壓，其值取決于源阻抗和占空比。輸出電容COUT應根據(jù)輸出電壓紋波要求選擇，要考慮ESR和體電容的影響。

7. PCB布局

PCB布局對LTC7806的性能至關重要。要將底部和頂部N通道MOSFET與COUT放置在一個緊湊的區(qū)域，保持信號和功率地分開，將VFB引腳的電阻分壓器連接到COUT的(+)端子，將SENSE*和SENSE引腳的走線靠近，將INTVCC去耦電容靠近IC放置，避免開關節(jié)點和敏感小信號節(jié)點相互干擾。

四、設計實例

假設輸入電壓VIN = 12V（標稱），范圍為8V至20V，輸出電壓VOUT = 24V，最大電流IMAX = 8A（每相IOUT(MAX) = 4A），VSENSE(MAX) = 50mV，頻率f = 1MHz。

• 頻率設置：使用FREQ引腳連接一個37kΩ的電阻至地，以設置1MHz的開關頻率。
• 電感選擇：選擇2.4μH的電感，可產(chǎn)生31%的紋波電流，峰值電感電流為9.25A。
• 電流感測電阻：計算得到等效Rsense電阻值約為0.004Ω，可選擇更低的值以留有余量。
• 輸出電壓設置：可選擇VPRG引腳浮空，使用1%的反饋電阻RA = 11.3k和RB = 215k設置輸出電壓；也可將VPRG引腳接地，直接將VFB引腳連接到VOUT，以節(jié)省組件成本并降低靜態(tài)電流。
• MOSFET選擇：底部MOSFET選擇具有較高RDS(ON)和較低柵極電荷的器件，以減少過渡損耗；頂部MOSFET選擇具有較低RDS(ON)和較高柵極電荷的器件，以減少I2R損耗。
• 輸出電容：選擇兩個10μF的電容，可處理6A的RMS電流，ESR為0.0025Ω。
• 輸入電容：選擇一個4.7uF的陶瓷電容，可吸收0.72A的RMS電感紋波電流。
• 軟啟動電容：選擇0.1μF的電容用于SS引腳，實現(xiàn)10ms的軟啟動。

五、總結(jié)

LTC7806作為一款高性能的2相單輸出同步升壓控制器，具有眾多優(yōu)秀的特性和靈活的應用設計。在實際設計中，我們需要根據(jù)具體的應用需求，合理選擇電感、電流感測方式、工作頻率、輕載操作模式、功率MOSFET、輸入和輸出電容等組件，并注意PCB布局的合理性，以確保設計的穩(wěn)定性和高效性。希望通過本文的介紹，能幫助電子工程師更好地理解和應用LTC7806，設計出更優(yōu)秀的電源管理電路。

你在使用LTC7806的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。