LTC7841：高性能雙相同步升壓控制器解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的一環(huán)。對(duì)于需要高功率升壓的應(yīng)用，一款高效、穩(wěn)定且功能豐富的升壓控制器無疑是工程師們的理想之選。今天，我們就來深入探討一下凌力爾特（現(xiàn)屬ADI）的LTC7841雙相同步升壓控制器。

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一、產(chǎn)品概述

LTC7841是一款高性能的雙相單輸出同步升壓轉(zhuǎn)換器控制器，能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)N溝道功率MOSFET階段異相工作。多相操作減少了輸入和輸出電容器的需求，并允許使用比單相等效電路更小的電感器。同步整流提高了效率，降低了功耗，減輕了散熱要求，從而實(shí)現(xiàn)了高功率升壓應(yīng)用。其輸出電壓可通過符合PMBus標(biāo)準(zhǔn)的串行接口以0.2%的分辨率調(diào)節(jié)至高達(dá)60V，同時(shí)該接口還可用于讀取故障狀態(tài)、輸入/輸出電流、輸入/輸出電壓和溫度等信息。

二、主要特性

（一）寬輸入電壓范圍

輸入電壓 (V{IN}) 范圍為4.5V至60V，能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。在 (V{IN}=12V) 時(shí)，全溫度范圍內(nèi)總輸出電壓精度可達(dá)1%，為電源設(shè)計(jì)提供了高精度的保障。

（二）PMBus接口

具備PMBus兼容的串行接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓 (V_{OUT}) 的編程，最高可達(dá)60V，分辨率為0.2%。同時(shí)，還能以25Hz的刷新速率回讀平均和峰值溫度、電流以及電壓，方便工程師實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。此外，該接口還可用于讀取故障狀態(tài)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。

（三）靈活的頻率控制

相鎖頻率范圍為75kHz至850kHz，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整。同時(shí)，芯片的上電時(shí)間小于1ms，能夠快速啟動(dòng)，響應(yīng)系統(tǒng)需求。

（四）其他特性

• Power Good輸出電壓監(jiān)測：通過PGOOD引腳，可以方便地監(jiān)測輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 內(nèi)部LDO供電：內(nèi)部LDO可從VBIAS或 (EXTV CC) 為柵極驅(qū)動(dòng)器供電，提供了靈活的供電方式。
• 低關(guān)斷電流：關(guān)斷電流 (I_{Q}<10μA)，在系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，能夠有效降低功耗。
• 熱增強(qiáng)型封裝：采用熱增強(qiáng)型5mm x 6mm QFN封裝，有助于提高芯片的散熱性能，確保在高功率應(yīng)用中的可靠性。

三、電氣特性詳解

（一）輸入輸出電壓相關(guān)特性

• 輸入電源電壓：(V_{BIAS}) 輸入電源工作電壓范圍在上升時(shí)為4.5V至60V，為芯片提供了廣泛的電源適配性。
• 反饋電壓：(V_{FB}) 調(diào)節(jié)的反饋電壓在不同的 (VOUT_COMMAND) 設(shè)定值下，有不同的典型值，如在 (VOUT_COMMAND = 50%) 時(shí)，LTC7841J的典型值為1.2V，偏差在±0.012V以內(nèi)。
• 輸出電壓：輸出電壓可通過PMBus接口進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，且具備較高的精度和穩(wěn)定性。輸出電壓讀回分辨率為13位，LSB步長為10mV，讀回電壓范圍在連接二極管和不連接二極管時(shí)有所不同，分別可達(dá)60V和55V。

（二）電流相關(guān)特性

• 輸入輸出電流讀回：輸入和輸出電流讀回功能都具備13位分辨率，LSB步長為50μV，全量程感測電壓為±1.638V。在 (V{SENSE +} – V{SENSE -}>25mV) 時(shí)，輸出電流總未調(diào)整誤差 (I_{OUT_TUE}) 為±2%，輸入電流在不同條件下也有相應(yīng)的誤差指標(biāo)。
• 其他電流參數(shù)：如反饋電流、(V_{OUTSNS}) 引腳泄漏電流、(SENSE +) 引腳電流等都有詳細(xì)的電氣指標(biāo)，這些參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)電路和評(píng)估系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

（三）振蕩器和鎖相環(huán)特性

• 可編程頻率：通過 (FREQ) 引腳連接不同的電阻或電壓，可以實(shí)現(xiàn)不同的開關(guān)頻率編程。例如，連接25k電阻時(shí)，典型頻率為335kHz；連接60k電阻時(shí)，典型頻率為400kHz；連接100k電阻時(shí)，典型頻率為760kHz。
• 固定頻率范圍：最低固定頻率 (f{LOW}) 為320kHz（(V{FREQ}=0V)），最高固定頻率為585kHz（(V{FREQ}=INTV{CC})）。同時(shí)，芯片可同步到外部時(shí)鐘，同步頻率范圍為75kHz至850kHz。

（四）其他電氣特性

還包括柵極驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)（如上升時(shí)間、下降時(shí)間、上下拉電阻等）、(INTV_{CC}) 線性穩(wěn)壓器的特性（如電壓、負(fù)載調(diào)整率等）、PGOOD輸出的特性（如電壓低、泄漏電流、跳閘電平、延遲等）以及PMBus接口的相關(guān)參數(shù)（如輸入輸出電壓、泄漏電流、總線頻率、總線時(shí)間等）。

四、工作原理

（一）主控制環(huán)路

LTC7841采用恒頻、電流模式升壓架構(gòu)，兩個(gè)控制器通道異相工作。在正常工作時(shí)，每個(gè)外部底部MOSFET在該通道的時(shí)鐘設(shè)置RS鎖存器時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)主電流比較器ICMP復(fù)位RS鎖存器時(shí)關(guān)斷。ICMP觸發(fā)并復(fù)位鎖存器的峰值電感電流由ITH引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA的輸出。誤差放大器將VFB引腳（通過外部電阻分壓器連接到輸出電壓 (V_{OUT}) 產(chǎn)生）的輸出電壓反饋信號(hào)與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，VFB相對(duì)于參考電壓略有下降，導(dǎo)致EA增加ITH電壓，直到每個(gè)通道的平均電感電流與新的負(fù)載電流要求相匹配。

（二）電源供應(yīng)

頂部和底部MOSFET驅(qū)動(dòng)器以及大多數(shù)其他內(nèi)部電路的電源來自 (INTV{CC}) 引腳。當(dāng) (EXTV{CC}) 引腳連接的電壓小于4.8V時(shí)，VBIAS LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）從VBIAS向 (INTV{CC}) 提供5.4V電源；當(dāng) (EXTV{CC}) 高于4.8V時(shí)，VBIAS LDO關(guān)閉，(EXTV{CC}) LDO開啟，從 (EXTV{CC}) 向 (INTV_{CC}) 提供5.4V電源。

（三）關(guān)斷和待機(jī)模式

• 關(guān)斷模式：通過RUN引腳可以關(guān)閉LTC7841的兩個(gè)內(nèi)部控制器。將該引腳拉低至1.28V以下，將關(guān)閉兩個(gè)相位的主控制環(huán)路和串行接口；拉低至0.7V以下，將禁用兩個(gè)通道和大多數(shù)內(nèi)部電路，包括 (INTV_{CC}) LDO，此時(shí)芯片的靜態(tài)電流僅為8μA。
• 待機(jī)模式：通過清除OPERATION命令中的ON位可以進(jìn)入待機(jī)模式。待機(jī)模式下，兩個(gè)相位的主控制環(huán)路關(guān)閉，但ADC和PMBus仍保持活動(dòng)狀態(tài)，不過遙測數(shù)據(jù)的刷新率降至1Hz。退出待機(jī)模式時(shí)，所有故障將被復(fù)位，ALERT引腳恢復(fù)正常。

（四）啟動(dòng)過程

啟動(dòng)時(shí)，控制器的輸出電壓 (V{out}) 由SS引腳的電壓控制。當(dāng)SS引腳電壓小于內(nèi)部參考電壓時(shí)，LTC7841將VFB引腳電壓調(diào)節(jié)到SS引腳電壓，而不是參考電壓。通過在SS引腳連接一個(gè)外部電容器到SGND，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。內(nèi)部10μA上拉電流對(duì)該電容器充電，在SS引腳產(chǎn)生一個(gè)電壓斜坡，隨著SS電壓從0V線性上升到參考電壓（甚至超過參考電壓達(dá)到 (INTV{CC})），輸出電壓平穩(wěn)地上升到最終值。

（五）輕載運(yùn)行模式

LTC7841在低負(fù)載電流時(shí)可以進(jìn)入高效突發(fā)模式（Burst Mode）、恒頻脈沖跳過模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。

• 突發(fā)模式：將PLLIN/MODE引腳接地可選擇突發(fā)模式。在該模式下，電感中的最小峰值電流設(shè)定為最大感測電壓的約30%。當(dāng)平均電感電流高于所需電流時(shí)，誤差放大器EA將降低ITH引腳的電壓。當(dāng)ITH電壓降至0.425V以下時(shí)，內(nèi)部睡眠信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，兩個(gè)外部MOSFET關(guān)閉，此時(shí)芯片的靜態(tài)電流僅為800μA，負(fù)載電流由輸出電容器提供。當(dāng)輸出電壓下降到一定程度時(shí)，睡眠信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑刂破骰謴?fù)正常操作。
• 強(qiáng)制連續(xù)模式：將PLLIN/MODE引腳連接到 (INTV_{CC}) 可選擇強(qiáng)制連續(xù)模式。在該模式下，電感電流在輕載或大瞬態(tài)條件下允許反向，峰值電感電流由ITH引腳的電壓決定。雖然該模式在輕載時(shí)效率低于突發(fā)模式，但具有輸出電壓紋波小、對(duì)音頻電路干擾小的優(yōu)點(diǎn)。
• 脈沖跳過模式：將PLLIN/MODE引腳連接到大于1.2V且小于 (INTV_{CC}-1.3V) 的直流電壓可選擇脈沖跳過模式。在該模式下，在輕載時(shí)LTC7841以PWM脈沖跳過模式工作，可保持恒頻操作直到設(shè)計(jì)最大輸出電流的約1%。在非常輕的負(fù)載下，電流比較器ICMP可能會(huì)在幾個(gè)周期內(nèi)保持觸發(fā)狀態(tài)，迫使外部底部MOSFET在相同數(shù)量的周期內(nèi)保持關(guān)閉狀態(tài)。該模式與強(qiáng)制連續(xù)模式類似，具有低輸出紋波、低音頻噪聲和減少RF干擾的優(yōu)點(diǎn)，且在低電流時(shí)的效率高于強(qiáng)制連續(xù)模式，但遠(yuǎn)低于突發(fā)模式。

（六）頻率選擇和鎖相環(huán)

開關(guān)頻率的選擇是效率和元件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作可以通過減少M(fèi)OSFET的開關(guān)損耗來提高效率，但需要更大的電感和/或電容來保持低輸出紋波電壓。LTC7841的開關(guān)頻率可以通過FREQ引腳進(jìn)行選擇。如果PLLIN/MODE引腳未由外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)REQ引腳可以接地、連接到 (INTV{CC}) 或通過外部電阻進(jìn)行編程。將FREQ引腳接地選擇350kHz，連接到 (INTV{CC}) 選擇535kHz，在FREQ和SGND之間放置一個(gè)電阻可以將頻率編程在50kHz至900kHz之間。

LTC7841還具備一個(gè)鎖相環(huán)（PLL），可將內(nèi)部振蕩器同步到連接到PLLIN/MODE引腳的外部時(shí)鐘源。典型的捕獲范圍約為55kHz至1MHz，確保能鎖定75kHz至850kHz范圍內(nèi)的外部時(shí)鐘源。通過FREQ引腳設(shè)置自由運(yùn)行頻率接近所需的同步頻率，可以實(shí)現(xiàn)快速鎖相。

（七）其他工作特性

• (V{IN } >) 調(diào)節(jié) (V{OUT }) 時(shí)的操作：當(dāng) (V{IN}) 上升到調(diào)節(jié)的 (V{out}) 電壓以上時(shí)，升壓控制器的行為會(huì)根據(jù)模式、電感電流和 (V{IN}) 電壓而有所不同。在強(qiáng)制連續(xù)模式下，一旦 (V{IN}) 上升到 (V_{OUT}) 以上，控制環(huán)路會(huì)使頂部MOSFET持續(xù)導(dǎo)通；在脈沖跳過模式和突發(fā)模式下，也有各自不同的響應(yīng)機(jī)制。
• 過壓保護(hù)：當(dāng)輸出反饋電壓 (V_{FB}) 大于其正常調(diào)節(jié)點(diǎn)（由DAC設(shè)置）的110%時(shí)，發(fā)生過壓事件。在過壓事件期間，無論選擇哪種工作模式，TG1/TG2將持續(xù)導(dǎo)通，直到過壓條件消除。
• BOOST電源刷新和內(nèi)部電荷泵：每個(gè)頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器由浮動(dòng)自舉電容器CB偏置，通常在底部MOSFET導(dǎo)通時(shí)通過外部二極管在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)其進(jìn)行充電。在啟動(dòng)時(shí)，如果底部MOSFET在UVLO變低后200μs內(nèi)未導(dǎo)通，將強(qiáng)制其導(dǎo)通約400ns，以確保頂部MOSFET能夠充分增強(qiáng)。內(nèi)部電荷泵可在強(qiáng)制連續(xù)模式和脈沖跳過模式下持續(xù)工作，在突發(fā)模式下，睡眠期間關(guān)閉，喚醒時(shí)啟用，正常情況下可提供55μA的充電電流。
• 內(nèi)部參考DAC：LTC7841具有一個(gè)內(nèi)部9位DAC，可將內(nèi)部參考電壓設(shè)置為0至2.4V范圍內(nèi)的任何值，分辨率為0.2%/bit。通過PMBus接口使用MFR_VOUT_COMMAND命令可以更改該數(shù)字值。當(dāng)檢測到參考電壓發(fā)生變化時(shí)，參考電壓將以連接到 (CSLEW) 引腳的電容值所設(shè)定的速率從當(dāng)前值斜坡上升到新值，同時(shí)也可以通過PMBus接口使用MFR_CONFIG命令更改斜率速率。
• 遙測回讀：LTC7841集成了一個(gè)13位ADC，可監(jiān)測并轉(zhuǎn)換輸入和輸出電壓、輸入和輸出電流以及管芯溫度或遠(yuǎn)程感測溫度。這些值以25Hz的速率刷新，并可通過PMBus接口讀取。每個(gè)遙測測量都有一個(gè)峰值監(jiān)測器，可提供自監(jiān)測開始以來的最高測量值，可通過MFR_CLEAR_PEAKS命令、寫入單個(gè)峰值寄存器或循環(huán)RUN引腳來重置該監(jiān)測器。
• 溫度監(jiān)測和熱警告/關(guān)機(jī)：LTC7841具有兩個(gè)內(nèi)部管芯溫度監(jiān)測器，一個(gè)由ADC數(shù)字化并通過READ_TEMPERATURE_1命令報(bào)告，另一個(gè)用于在管芯溫度超過170°C時(shí)關(guān)閉芯片。還可以通過將外部溫度傳感元件連接到TSNS引腳來實(shí)現(xiàn)外部溫度傳感。通過MFR_CONFIG寄存器可以選擇報(bào)告內(nèi)部管芯溫度還是外部溫度傳感電壓。當(dāng)內(nèi)部管芯溫度超過150°C時(shí)，STATUS_WORD中的過溫警告位將被設(shè)置，ALERT引腳將拉低以提醒PMBus主機(jī)。

五、應(yīng)用信息

（一）電流感測方案

LTC7841可以配置為使用電感器DCR（直流電阻）感測或分立感測電阻（RSENSE）進(jìn)行電流感測。

• 感測電阻電流感測：使用離散電阻的典型感測電路中，RSENSE的值根據(jù)所需的輸出電流來選擇。電流比較器具有最大閾值 (V{SENSE(MAX) })，當(dāng)ILIM引腳接地、浮空或連接到 (INTV{CC}) 時(shí)，最大閾值分別設(shè)置為50mV、75mV或100mV。根據(jù)這些參數(shù)可以計(jì)算出感測電阻的值。在低 (V_{IN }) 和非常高電壓輸出應(yīng)用中，由于升壓調(diào)節(jié)器在占空比大于50%時(shí)需要內(nèi)部補(bǔ)償以滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，最大電感電流和相應(yīng)的最大輸出電流水平將降低。
• 電感器DCR感測：對(duì)于在高負(fù)載電流下需要最高效率的應(yīng)用，LTC7841能夠感測電感器DCR上的電壓降。選擇合適的外部R1||R2 ? C1時(shí)間常數(shù)，使其等于L/DCR時(shí)間常數(shù)，可以使外部電容器上的電壓降等于電感器DCR上的電壓降乘以R2/(R1 + R2)。需要注意的是，電感器的DCR值會(huì)隨溫度變化，因此在選擇元件時(shí)需要考慮溫度系數(shù)的影響。雖然DCR感測在重負(fù)載時(shí)具有較高的效率，但在輕負(fù)載時(shí)可能會(huì)有稍高的功率損耗。

（二）元件選擇

• 電感器值計(jì)算：操作頻率和電感器選擇相互關(guān)聯(lián)，較高的操作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)降低效率，因?yàn)闀?huì)增加MOSFET的柵極電荷和開關(guān)損耗。電感值直接影響紋波電流，合理設(shè)置紋波電流可以在滿足輸出電壓紋波要求的前提下，選擇合適的電感值。一般來說，可將紋波電流設(shè)置為 (Delta I{L}=0.3(I{MAX}))，最大 (Delta I{L}) 發(fā)生在 (V{IN }=1 / 2 ~V_{OUT }) 時(shí)。選擇電感時(shí)，還應(yīng)考慮其對(duì)低電流操作和過渡到突發(fā)模式的影響。
• 功率MOSFET選擇：每個(gè)控制器需要選擇兩個(gè)外部功率MOSFET，一個(gè)用于底部（主）開關(guān)，一個(gè)用于頂部（同步）開關(guān)。由于 (INTV{CC}) 電壓通常為5.4V，因此在大多數(shù)應(yīng)用中必須使用邏輯電平閾值MOSFET，同時(shí)要關(guān)注 (BV{DSS}) 規(guī)格。選擇功率MOSFET時(shí)，需要考慮導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)})、米勒電容 (C{MILLER})、輸入電壓和最大輸出電流等因素。在連續(xù)模式下，根據(jù)輸出電壓和輸入電壓可以計(jì)算出頂部和底部MOSFET的占空比，進(jìn)而計(jì)算出它們的功率損耗。在不同的輸入電壓下，選擇合適的MOSFET參數(shù)可以提高效率。
• 輸入和輸出電容選擇：在升壓轉(zhuǎn)換器中，輸入紋波電流相對(duì)較低，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。輸出電流是不連續(xù)的，因此 (C{OUT }) 必須能夠降低輸出電壓紋波，選擇輸出電容時(shí)需要考慮ESR（等效串聯(lián)電阻）和電容值對(duì)輸出電壓紋波的影響。LTC7841采用2相單輸出配置，兩個(gè)通道異相操作，可大大降低輸出電容的紋波電流，從而可以適當(dāng)放寬對(duì)電容ESR的要求?？梢愿鶕?jù)輸出電壓和輸入電壓范圍確定占空比范圍，然后參考?xì)w一化輸出電容紋波電流曲線選擇合適的電容紋波電流額定值。

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