探索LTC7890：高性能雙降壓DC - DC開關(guān)調(diào)節(jié)器控制器的深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理芯片的性能往往直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一款備受矚目的電源管理芯片——LTC7890，一款專門為氮化鎵（GaN）場效應(yīng)晶體管（FET）優(yōu)化的高性能雙降壓DC - DC開關(guān)調(diào)節(jié)器控制器。

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1. LTC7890的卓越特性

1.1 專為GaN FET優(yōu)化

LTC7890采用了完全針對GaN FET優(yōu)化的驅(qū)動技術(shù)，這使得它在驅(qū)動GaN FET時能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時，它無需額外的續(xù)流、鉗位或自舉二極管，簡化了電路設(shè)計，降低了成本和電路板空間。內(nèi)部的智能自舉開關(guān)能夠防止高端驅(qū)動器電源過充電，保護頂部GaN FET的柵極。

1.2 寬輸入輸出電壓范圍

其輸入電壓范圍為4V至100V，輸出電壓范圍為0.8V至60V，能夠滿足多種不同應(yīng)用場景的需求。無論是工業(yè)電源系統(tǒng)、軍事航空電子設(shè)備還是電信電源系統(tǒng)，LTC7890都能穩(wěn)定工作。

1.3 低靜態(tài)電流

在48V輸入至5V輸出，通道1開啟的情況下，靜態(tài)電流低至5μA，這對于需要長時間待機的設(shè)備來說至關(guān)重要，能夠有效降低功耗，延長電池續(xù)航時間。

1.4 靈活的頻率控制

可編程頻率范圍為100kHz至3MHz，并且可以同步到外部時鐘，還支持?jǐn)U頻頻率調(diào)制，有助于降低電磁干擾（EMI），提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

2. 電氣特性詳解

2.1 輸入輸出參數(shù)

輸入電源的工作范圍為4V至100V，在不同的輸入輸出條件下，靜態(tài)電流表現(xiàn)良好。例如，在48V至5V無負(fù)載，RUN2 = 0V的情況下，總靜態(tài)電流為5μA；在14V至3.3V無負(fù)載，RUN2 = 0V的情況下，總靜態(tài)電流為14μA。輸出電壓設(shè)定點范圍為0.8V至60V，并且能夠精確調(diào)節(jié)。

2.2 門驅(qū)動器特性

門驅(qū)動器的導(dǎo)通電阻、上升時間、下降時間等參數(shù)都有明確的規(guī)定。例如，TGxxx或BGxxx的導(dǎo)通電阻在DRVSET = INTVCC時，上拉為2.0Ω，下拉為1.0Ω；BOOSTx至DRVCC開關(guān)的導(dǎo)通電阻為7Ω。這些參數(shù)的優(yōu)化有助于提高開關(guān)速度和效率。

2.3 其他特性

還包括欠壓鎖定（UVLO）、固定頻率、可編程頻率、同步頻率范圍等特性，這些特性使得LTC7890在不同的應(yīng)用場景中都能靈活配置，滿足各種需求。

3. 引腳配置與功能

3.1 引腳功能概述

LTC7890共有40個引腳，每個引腳都有其特定的功能。例如，F(xiàn)REQ引腳用于控制內(nèi)部電壓控制振蕩器（VCO）的頻率；MODE引腳用于選擇輕載時的工作模式；PLLIN/SPREAD引腳用于外部同步輸入或擴頻使能等。

3.2 關(guān)鍵引腳詳解

• DTCA和DTCB引腳：用于控制死區(qū)時間，可通過配置這兩個引腳將死區(qū)時間從接近零調(diào)整到60ns，從而優(yōu)化開關(guān)性能。
• RUNx引腳：用于控制通道的開啟和關(guān)閉，當(dāng)RUNx引腳電壓低于1.08V時，該通道的控制器停止開關(guān)；當(dāng)RUN1和RUN2引腳電壓都低于0.7V時，LTC7890進入關(guān)機狀態(tài)，靜態(tài)電流降至約1μA。
• TRACK/SSx引腳：用于外部跟蹤/軟啟動輸入，通過連接電容到地，可以實現(xiàn)輸出電壓的軟啟動，避免啟動時的電流沖擊。

4. 工作原理剖析

4.1 主控制環(huán)路

LTC7890采用恒定頻率、峰值電流模式架構(gòu)，兩個控制器通道相位相差180°，這有助于減少所需的輸入電容和電源引起的噪聲。在正常工作時，外部頂部FET在時鐘置位SR鎖存器時開啟，電感電流增加；當(dāng)主電流比較器ICMP復(fù)位SR鎖存器時，主開關(guān)關(guān)閉。底部FET在頂部FET關(guān)閉后開啟，電感電流減小。

4.2 電源和偏置電源

INTVCC引腳為頂部和底部FET驅(qū)動器以及大部分內(nèi)部電路提供電源，DRVCC引腳為FET驅(qū)動器供電，必須連接到INTVCC引腳。VIN和EXTVCC引腳都有LDO線性穩(wěn)壓器為INTVCC提供電源，通過DRVSET引腳可以將INTVCC電壓編程為4V至5.5V。

4.3 死區(qū)時間控制

通過配置DTCA和DTCB引腳，可以精確控制死區(qū)時間。將DTCA引腳接地可實現(xiàn)自適應(yīng)死區(qū)時間控制，將其連接到INTVCC可實現(xiàn)智能接近零死區(qū)時間控制；DTCB引腳的配置同理。

4.4 輕載操作模式

LTC7890可以在輕載時選擇進入高效突發(fā)模式（Burst Mode）、恒定頻率脈沖跳過模式（Pulse Skipping Mode）或強制連續(xù)導(dǎo)通模式（Forced Continuous Mode）。不同的模式具有不同的特點，例如突發(fā)模式在輕載時效率最高，但不能同步到外部時鐘；強制連續(xù)模式輸出電壓紋波低，但輕載效率較低；脈沖跳過模式則在輕載效率和輸出紋波之間取得了較好的平衡。

4.5 頻率選擇與同步

通過FREQ引腳可以選擇自由運行的開關(guān)頻率，將FREQ引腳接地選擇370kHz，連接到INTVCC選擇2.25MHz，也可以通過在FREQ和地之間連接電阻將頻率編程為100kHz至3MHz。此外，通過PLLIN/SPREAD引腳可以實現(xiàn)擴頻模式和相位鎖定環(huán)（PLL）功能。

5. 應(yīng)用信息與設(shè)計要點

5.1 外部組件選擇

• 電感選擇：電感值的選擇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，但會降低效率。一般來說，合理的紋波電流起始值為ΔIL = 0.3 × IL(MAX)，同時要考慮電感值對紋波電流和低電流操作的影響。
• 電流感測選擇：LTC7890可以配置為使用電感直流電阻（DCR）感測或低值電阻感測。DCR感測節(jié)省成本且更節(jié)能，尤其在高電流應(yīng)用中；而電流感測電阻則能提供更精確的電流限制。
• 功率FET選擇：需要選擇兩個外部功率FET，一個用于頂部開關(guān)，一個用于底部開關(guān)。選擇時要考慮導(dǎo)通電阻、米勒電容、輸入電壓和最大輸出電流等因素。
• 輸入輸出電容選擇：輸入電容的選擇基于輸入網(wǎng)絡(luò)的最壞情況均方根電流，輸出電容的選擇主要考慮等效串聯(lián)電阻（ESR），以確保輸出紋波在可接受的范圍內(nèi)。

5.2 輸出電壓設(shè)置

通過外部反饋電阻分壓器可以精確設(shè)置輸出電壓，公式為VOUT = 0.8(1 + (RB / RA))V。同時，要注意將反饋電阻靠近VFBx引腳放置，以減少PCB走線長度和噪聲。

5.3 軟啟動與跟蹤

通過TRACK/SSx引腳可以實現(xiàn)軟啟動功能，通過連接電容到地，內(nèi)部12μA電流源對電容充電，使輸出電壓平滑上升。也可以通過電阻分壓器將TRACK/SSx引腳連接到另一個電源，實現(xiàn)輸出電壓跟蹤另一個電源的啟動過程。

5.4 故障保護

LTC7890具有過壓保護、過流保護和過溫保護等功能。當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定值的10%時，頂部FET關(guān)閉；當(dāng)輸出電壓低于額定值的70%時，進入折返電流限制模式；當(dāng)內(nèi)部芯片溫度超過180°C時，INTVCC LDO穩(wěn)壓器和門驅(qū)動器關(guān)閉，當(dāng)溫度降至160°C時，重新啟動。

6. PCB布局要點

6.1 布局原則

• 頂部N溝道FET應(yīng)彼此靠近，且漏極連接到CIN，避免輸入去耦分離。
• BGUPx和BGDNx、TGUPx和TGDNx的走線應(yīng)靠近FET柵極，以確保死區(qū)時間控制的準(zhǔn)確性。
• 組合的IC GND引腳和CINTVCC的GND返回應(yīng)連接到COUT的負(fù)端，輸入電容和輸出電容應(yīng)靠近放置。
• VFBx引腳的電阻分壓器應(yīng)連接到COUT的正端和信號GND，且靠近VFBx引腳放置，以減少噪聲耦合。
• SENSEX和SENSEX +的走線應(yīng)靠近，且遠(yuǎn)離高頻開關(guān)節(jié)點，濾波電容應(yīng)靠近IC。
• INTVCC去耦電容應(yīng)靠近IC放置，DRVCC和GND引腳旁應(yīng)放置1μF陶瓷電容以改善噪聲性能。
• 開關(guān)節(jié)點、頂部柵極節(jié)點和升壓節(jié)點應(yīng)遠(yuǎn)離敏感小信號節(jié)點，以減少干擾。

6.2 布局調(diào)試

在調(diào)試PCB布局時，應(yīng)先逐個檢查控制器的性能，使用電流探頭監(jiān)測電感電流，監(jiān)測輸出開關(guān)節(jié)點以同步示波器，并檢查輸出電壓。注意檢查占空比的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)噪聲拾取或環(huán)路補償不足的問題。

7. 設(shè)計實例

假設(shè)輸入電壓VIN(NOMINAL) = 12V，VIN(MAX) = 22V，輸出電壓VOUTx = 3.3V，輸出電流IOUT = 20A，工作頻率f = 1MHz。設(shè)計步驟如下：

1. 設(shè)置工作頻率：通過在FREQ引腳和地之間連接電阻，電阻值為37MHz / 1MHz = 37kΩ。
2. 確定電感值：根據(jù)公式L = VOUT / (f(ΔIL))(1 - VOUT / VIN(NOMINAL))，選擇電感值為0.4μH。
3. 驗證最小導(dǎo)通時間：計算最小導(dǎo)通時間tON(MIN) = VOUT / (VIN(MAX) × f) = 150ns，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感測閾值，選擇RSENSE ≤ 45mV / 23A ? 2mΩ。
5. 選擇反饋電阻：對于50μA的反饋分壓器電流，RA = 0.8V / 50μA = 16kΩ，RB = RA(3.3V / 0.8V - 1) = 50kΩ。
6. 選擇FET：由于是高電流、低電壓應(yīng)用，選擇導(dǎo)通電阻較低的FET以降低I2R損耗。
7. 選擇輸入輸出電容：CIN選擇均方根電流額定值至少為10A的電容，COUT選擇ESR為3mΩ的電容。
8. 確定偏置電源組件：由于輸出電壓不大于EXTVCC切換閾值，若有5V電源，可將其連接到EXTVCC以提高效率。選擇0.1μF的電容用于TRACK/SSx引腳實現(xiàn)6.7ms的軟啟動。
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ITHx補償組件并檢查瞬態(tài)響應(yīng)以確保穩(wěn)定性。

8. 總結(jié)

LTC7890是一款功能強大、性能卓越的電源管理芯片，它為電子工程師提供了豐富的功能和靈活的配置選項。在設(shè)計過程中，我們需要全面考慮其電氣特性、引腳功能、工作原理以及應(yīng)用信息等方面，合理選擇外部組件，優(yōu)化PCB布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。同時，通過實際的設(shè)計實例，我們可以更好地理解和應(yīng)用LTC7890，為各種應(yīng)用場景提供可靠的電源解決方案。

你在使用LTC7890的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。