LT8210：高性能4開關(guān)同步降壓 - 升壓DC/DC控制器的深度剖析

在電子工程師的日常工作中，尋找一款性能卓越、功能豐富的DC/DC控制器是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。今天，我們就來深入探討一款備受矚目的產(chǎn)品——LT8210，它是一款能夠在多種模式下高效運(yùn)行的4開關(guān)同步降壓 - 升壓DC/DC控制器，為眾多應(yīng)用場(chǎng)景提供了強(qiáng)大的支持。

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一、產(chǎn)品概述

LT8210具有一系列令人矚目的特性，使其在同類產(chǎn)品中脫穎而出。它支持引腳可選的直通或固定輸出CCM、DCM、Burst Mode?操作，擁有可編程的非開關(guān)直通窗口，在直通模式下能實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.9%的效率，且靜態(tài)電流低至18pA。其輸入電壓范圍為2.8V至100V（啟動(dòng)時(shí)為4.5V），輸出電壓范圍為1V至100V，還具備反向輸入保護(hù)功能，可承受 - 40V的反向電壓。輸出電壓精度在 - 40°C至125°C的寬溫度范圍內(nèi)達(dá)到±1.25%，電流監(jiān)測(cè)精度為±3%，電流調(diào)節(jié)精度為±5%。此外，它采用10V四N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，EXTV CC LDO可從VOUT/外部電源軌為驅(qū)動(dòng)器供電，具有±20%的逐周期電感電流限制，在降壓或升壓模式下無頂部MOSFET刷新噪聲。開關(guān)頻率固定/可鎖相，范圍為80kHz至400kHz，并支持?jǐn)U頻頻率調(diào)制以降低EMI，還配備電源良好輸出電壓/過流監(jiān)測(cè)功能，提供38引腳TSSOP和40引腳（6mm x 6mm）QFN封裝。

二、關(guān)鍵特性詳解

（一）直通模式

直通模式是LT8210的一大亮點(diǎn)。當(dāng)輸入電壓在用戶可編程窗口內(nèi)時(shí)，輸入可直接傳遞到輸出，這不僅消除了開關(guān)損耗和EMI，還能最大限度地提高效率。對(duì)于輸入電壓高于或低于直通窗口的情況，降壓或升壓調(diào)節(jié)環(huán)路會(huì)分別將輸出維持在設(shè)定的最大值或最小值。在直通模式下，典型的VIN和VINP引腳靜態(tài)電流分別低至4μA和18μA，能夠?qū)崿F(xiàn)超過99.9%的效率。

（二）電壓和電流精度

在寬溫度范圍（ - 40°C至125°C）內(nèi)，輸出電壓精度達(dá)到±1.25%，這使得它在對(duì)電壓穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。同時(shí)，±3%的準(zhǔn)確電流監(jiān)測(cè)和±5%的準(zhǔn)確電流調(diào)節(jié)功能，為系統(tǒng)的電流控制提供了可靠的保障。

（三）MOSFET驅(qū)動(dòng)和保護(hù)

10V四N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器能夠?yàn)橥獠縈OSFET提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓。GATEV CC電壓在I GATEVCC = 25mA時(shí)，典型值為10.6V，且具有內(nèi)置的反向驅(qū)動(dòng)保護(hù)功能，可在輸入欠壓時(shí)維持調(diào)節(jié)。此外，芯片還提供可選的反向輸入保護(hù)功能，通過添加一個(gè)N溝道MOSFET，可實(shí)現(xiàn)低至 - 40V的反向輸入保護(hù)。

（四）頻率控制和EMI優(yōu)化

開關(guān)頻率可通過RT引腳在80kHz至400kHz范圍內(nèi)進(jìn)行編程，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整。同時(shí)，當(dāng)SYNC/SPRD引腳連接到VDD時(shí)，可啟用擴(kuò)頻頻率調(diào)制功能，將開關(guān)頻率在標(biāo)稱RT設(shè)定頻率至其112.5%的范圍內(nèi)緩慢擴(kuò)展，有效降低了電磁干擾。

三、工作模式

（一）連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）

在CCM模式下，當(dāng)SS引腳電壓超過2.5V（典型值）時(shí)，電感電流可反向流動(dòng)。這種設(shè)計(jì)旨在防止在輸出預(yù)偏置到非零電壓時(shí)，啟動(dòng)期間出現(xiàn)大的負(fù)電感電流。一旦CCM模式啟用，負(fù)電流感測(cè)限制的幅度大致等于正電流感測(cè)限制，確保電感電流在每個(gè)周期內(nèi)得到有效限制。CCM模式的最大推薦開關(guān)頻率為350kHz。

（二）不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）

DCM模式可防止在低輸出電流時(shí)電感電流反向。它通過檢測(cè)SNSP1 - SNSN1電壓是否低于反向電流閾值（典型值為3mV）來判斷是否存在反向電流。當(dāng)檢測(cè)到反向電流時(shí)，開關(guān)B或D的導(dǎo)通時(shí)間將終止，從而提高輕載效率，并阻止輸出電流大量回流到輸入。

（三）Burst Mode?操作

Burst Mode?操作通過設(shè)置一個(gè)具有約25mV遲滯的VC1電平來控制開關(guān)活動(dòng)。當(dāng)輸出電流較小時(shí)，VOUT上升會(huì)使VC1引腳電壓低于閾值，暫時(shí)禁止開關(guān)操作；當(dāng)VOUT下降且VC1上升約25mV時(shí)，開關(guān)操作將恢復(fù)。這種模式通過消除不必要的開關(guān)活動(dòng)和相關(guān)功率損耗，提高了輕載效率，在非開關(guān)狀態(tài)下，LT8210的電源電流可降至65μA（典型值）。

（四）直通模式

在直通模式下，降壓和升壓環(huán)路的輸出電壓（VOUT(BUCK)和VOUT(BOOST)）可獨(dú)立編程。輸出電壓被調(diào)節(jié)在由VOUT(BOOST)定義的最小值和VOUT(BUCK)定義的最大值之間的窗口內(nèi)。當(dāng)VINP小于或等于VOUT(BOOST)時(shí)，升壓環(huán)路控制電感電流并將輸出調(diào)節(jié)到VOUT(BOOST)；當(dāng)輸入電壓大于或等于VOUT(BUCK)時(shí)，降壓環(huán)路控制電感電流并將輸出調(diào)節(jié)到VOUT(BUCK)。在直通窗口邊界附近，采用交錯(cuò)降壓 - 升壓開關(guān)以避免脈沖跳過。當(dāng)輸入電壓在VOUT(BOOST)和VOUT(BUCK)之間時(shí)，輸出電壓將跟蹤輸入，此時(shí)LT8210進(jìn)入節(jié)能模式。

四、外部組件選擇

（一）RSENSE選擇

RSENSE的選擇基于所需的輸出電流和輸入電壓范圍。在降壓區(qū)域，對(duì)于給定的最大輸出電流IOUT(MAX)，RSENSE(BUCK)可通過公式[R{SENSE(BUCK)}=frac{50 mV}{I{OUT(MAX)}}]計(jì)算；在升壓區(qū)域，使用VINP(MIN)，RSENSE(BOOST)可通過公式[R{SENSE(BOOST) }=frac{50 mV}{I{OUT(MAX) }} cdot frac{V{INP(MIN)}}{V{OUT }}]計(jì)算。通常建議在兩個(gè)計(jì)算值中取較小值，并留出20%至30%的余量。

（二）電感選擇

電感值與開關(guān)頻率和紋波電流密切相關(guān)。一般來說，電感紋波電流?I L設(shè)定為最大電感電流的20%至40%。為了維持所需的紋波，可分別為降壓和升壓區(qū)域計(jì)算最小電感值： [L{(BUCK) }>frac{V{OUT } cdotleft(V{IN(MAX) }-V{OUT }right)}{f{SW } cdot I{OUT(MAX) } cdot Delta I{L} % cdot V{IN(MAX)}}] [L{(B O O S T)}>frac{V{I N(M I N)}^{2} cdotleft(V{OUT }-V{I N(M I N)}right)}{f{S W} cdot I{OUT(M A X)} cdot Delta I{L} % cdot V{OUT }^{2}}] 此外，電感值還應(yīng)足夠大以防止次諧波振蕩。為了簡(jiǎn)化環(huán)路補(bǔ)償并優(yōu)化線路調(diào)節(jié)和線路階躍響應(yīng)，建議選擇最優(yōu)電感值LOPTIMAL，公式為[L{OPTIMAL }=left(260+left(5.5 cdot V{OUT }right)right) cdot R{SENSE } cdot frac{1}{t{S W}}]。

（三）開關(guān)頻率選擇

RT頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶將開關(guān)頻率從80kHz編程到400kHz。開關(guān)頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作可通過減少M(fèi)OSFET開關(guān)損耗來提高效率，但需要更大的電感和電容值；高頻操作則可減小總解決方案尺寸，但會(huì)增加開關(guān)損耗。為了維持紋波電流幅度和次諧波穩(wěn)定性，電感值應(yīng)跟蹤Rsense和開關(guān)周期T的乘積。一種實(shí)用的方法是在選擇了RSENSE和L值后，調(diào)整開關(guān)頻率以優(yōu)化系統(tǒng)性能，公式為[f{S W( OPTIMAL )}=frac{left(260+left(5.5 cdot V{OUT }right)right) cdot R_{SENSE }}{L}]。

（四）功率MOSFET選擇

LT8210需要四個(gè)外部N溝道功率MOSFET。在選擇MOSFET時(shí)，應(yīng)確保其最大VBR(DSS)和漏極電流(ID)額定值超過應(yīng)用的最壞情況電壓和電流條件，并留出安全余量。同時(shí)，要考慮功率損耗，選擇能夠最小化功率損耗的MOSFET。MOSFET的功率損耗主要來自導(dǎo)通損耗（I2R）和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗在高電流和低電壓時(shí)占主導(dǎo)地位，而開關(guān)損耗在低電流和高電壓時(shí)更為顯著。

（五）CIN和COUT選擇

輸入和輸出電容器用于抑制調(diào)節(jié)器輸入和輸出的電壓紋波。在選擇CIN和COUT時(shí)，需要考慮電壓紋波、ESR和RMS電流額定值。對(duì)于降壓操作，CIN可通過公式[C{I N} cong frac{I{OUT(M A X)}}{Delta V{I N} cdot f{S W}} cdotleft(frac{V{OUT }}{V{I N}}right) cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{I N}}right)]計(jì)算，ESR應(yīng)小于[frac{Delta V{IN}}{I{OUT(MAX) }}]，輸入RMS電流可近似為[I{I N(RMS)}=I{OUT(MAX) } cdot frac{V{OUT }}{V{IN }} cdot sqrt{frac{V{IN }}{V{OUT }}}-1]。對(duì)于升壓操作，COUT可通過公式[C{OUT (B O O S T)}=frac{I{OUT(M A X)} cdotleft(V{OUT }-V{I N(M I N)}right)}{Delta V{OUT } cdot f{sw } cdot V_{OUT }}]計(jì)算，ESR應(yīng)滿足相應(yīng)要求，COUT還應(yīng)能承受升壓區(qū)域的最大RMS輸出電流。

（六）其他組件

1. 自舉電容器（CBST1，CBST2）：需要存儲(chǔ)大約100倍頂部開關(guān)A和D所需的柵極電荷（QG），通常選擇0.1μF至0.47μF、X5R或X7R、25V的電容器。GATEV CC到地的旁路電容應(yīng)至少為CBST1、CBST2電容器值的十倍。
2. 自舉二極管（DBST1，DBST2）：推薦使用額定電流為1A、反向恢復(fù)時(shí)間非?？欤?50ns）的硅二極管。在直通模式下，低反向泄漏至關(guān)重要，應(yīng)選擇在最大工作溫度下反向泄漏電流為10μA或更小的二極管。
3. EXTV CC、GATEV CC和VDD：GATEV CC應(yīng)通過一個(gè)最小4.7μF、25V的陶瓷電容器旁路到地。當(dāng)EXTV CC電壓超過8V（典型值）且同時(shí)低于VINP電壓時(shí)，GATEV CC將由EXTV CC調(diào)節(jié)。VDD引腳電壓從GATEV CC線性調(diào)節(jié)到3.3V，應(yīng)通過一個(gè)最小2.2μF的X5R/X7R電容器旁路到地。

五、典型應(yīng)用案例

（一）10A，12V降壓 - 升壓（CCM）/8V至16V直通調(diào)節(jié)器

該應(yīng)用案例展示了LT8210在不同模式下的高效運(yùn)行。在CCM模式下，能夠穩(wěn)定輸出12V電壓；在直通模式下，輸出電壓范圍為8V至16V。通過合理選擇外部組件，如4.7μH的電感、合適的MOSFET和電容器，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。

（二）2.5A，48V降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器/36V至52V直通調(diào)節(jié)器

此案例適用于對(duì)輸出電壓和電流要求較高的應(yīng)用。通過精心設(shè)計(jì)的電路和組件選擇，LT8210能夠在降壓 - 升壓和直通模式之間靈活切換，滿足不同輸入電壓和輸出負(fù)載的需求。

六、總結(jié)

LT8210以其豐富的功能、卓越的性能和靈活的應(yīng)用模式，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的解決方案。無論是在汽車、工業(yè)、電信還是航空電子等系統(tǒng)中，它都能發(fā)揮出重要作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，以充分發(fā)揮LT8210的優(yōu)勢(shì)。希望通過本文的介紹，能幫助各位工程師更好地了解和應(yīng)用LT8210，在電源設(shè)計(jì)中取得更好的成果。

你在使用LT8210進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？或者你對(duì)它的某個(gè)特性有更深入的見解，歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。