深度解析LTC7821混合降壓同步控制器

一、引言

在電子工程領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和可靠性。LTC7821作為一款先進(jìn)的混合降壓同步控制器，憑借其獨(dú)特的架構(gòu)和卓越的性能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。本文將深入剖析LTC7821的特性、工作原理、應(yīng)用信息等方面，為電子工程師提供全面的參考。

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二、LTC7821特性亮點(diǎn)

2.1 寬輸入電壓范圍

LTC7821具有10V至72V（80V絕對(duì)最大）的寬輸入電壓范圍，這使得它能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了廣泛的選擇。無(wú)論是在工業(yè)、汽車還是通信領(lǐng)域，都能穩(wěn)定工作。

2.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低噪聲運(yùn)行。軟開(kāi)關(guān)可以減少開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流尖峰，降低電磁干擾（EMI），提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這對(duì)于對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用，如通信設(shè)備和音頻系統(tǒng)，尤為重要。

2.3 鎖相固定頻率

其固定頻率范圍為200kHz至1.5MHz，并且支持鎖相功能。這使得LTC7821能夠與外部時(shí)鐘同步，減少系統(tǒng)中的時(shí)鐘干擾，提高系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)，可調(diào)節(jié)的頻率范圍也為不同的應(yīng)用需求提供了靈活性。

2.4 高精度輸出電壓

輸出電壓精度達(dá)到±1%，能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定、精確的電壓。這對(duì)于對(duì)電壓精度要求較高的應(yīng)用，如微處理器、傳感器等，至關(guān)重要。

2.5 多種電流傳感方式

支持 (R{SENSE}) 或DCR電流傳感方式。 (R{SENSE}) 傳感方式簡(jiǎn)單直接，能夠提供準(zhǔn)確的電流測(cè)量；而DCR傳感方式則可以節(jié)省成本，提高效率，尤其在高電流應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

2.6 可編程工作模式

具備可編程的CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）、DCM（不連續(xù)導(dǎo)通模式）或Burst Mode? （突發(fā)模式）操作。不同的工作模式適用于不同的負(fù)載情況，能夠在輕載和重載時(shí)都保持高效運(yùn)行。

2.7 多相操作功能

CLKOUT引腳支持多相操作，通過(guò)多個(gè)LTC7821并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流和更好的負(fù)載分配，滿足高功率應(yīng)用的需求。

2.8 短路保護(hù)

內(nèi)置短路保護(hù)功能，當(dāng)輸出發(fā)生短路時(shí)，能夠迅速切斷電路，保護(hù)芯片和負(fù)載免受損壞，提高系統(tǒng)的安全性。

2.9 外部電源輸入

(EXTV_{CC}) 輸入可提高效率。當(dāng)外部電源電壓高于7V時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)切換到外部電源供電，減少內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器的功耗，提高系統(tǒng)的整體效率。

2.10 單調(diào)輸出電壓?jiǎn)?dòng)

能夠?qū)崿F(xiàn)單調(diào)輸出電壓?jiǎn)?dòng)，避免輸出電壓在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)沖或振蕩，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定啟動(dòng)。

2.11 可選外部參考

支持可選的外部參考，用戶可以根據(jù)需要選擇內(nèi)部參考或外部參考，靈活調(diào)整輸出電壓。

三、典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 中間總線轉(zhuǎn)換器

在中間總線轉(zhuǎn)換器中，LTC7821能夠?qū)⒏唠妷恨D(zhuǎn)換為適合后續(xù)電路使用的低電壓，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。其高效的轉(zhuǎn)換效率和寬輸入電壓范圍，使得它在中間總線轉(zhuǎn)換應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

3.2 高電流分布式電源系統(tǒng)

對(duì)于高電流分布式電源系統(tǒng)，LTC7821的多相操作功能可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片并聯(lián)，提供更高的輸出電流。同時(shí)，其高精度的輸出電壓和短路保護(hù)功能，能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 電信、數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)系統(tǒng)

在電信、數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)系統(tǒng)中，對(duì)電源的穩(wěn)定性和可靠性要求極高。LTC7821的低噪聲運(yùn)行和高精度輸出電壓，能夠滿足這些系統(tǒng)對(duì)電源的嚴(yán)格要求。

3.4 汽車應(yīng)用

汽車電子系統(tǒng)對(duì)電源的性能和可靠性要求也非常高。LTC7821的寬輸入電壓范圍和短路保護(hù)功能，使其能夠適應(yīng)汽車復(fù)雜的電源環(huán)境，為汽車電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。

四、工作原理

4.1 電容平衡階段

在初始上電時(shí)，芯片會(huì)測(cè)量飛跨電容 (C{FLY}) 和 (C{MID}) 兩端的電壓。如果這些電壓不等于 (V{IN}/2) ，定時(shí)器電容開(kāi)始充電。當(dāng)定時(shí)器電容電壓達(dá)到0.5V時(shí)，內(nèi)部電流源開(kāi)啟，將 (C{FLY}) 電壓充電到 (V{IN}/2) ，然后再將 (C{MID}) 充電到 (V{IN}/2) 。在此期間，TRACK/SS引腳被拉低，所有外部MOSFET關(guān)閉。如果在定時(shí)器電容電壓達(dá)到1.2V之前， (C{FLY}) 和 (C{MID}) 電壓達(dá)到 (V{IN}/2) ，TRACK/SS引腳釋放，正常工作開(kāi)始；否則，內(nèi)部電流源關(guān)閉，定時(shí)器電容以一半的速率充電至4V，然后重置為零，重復(fù)上述過(guò)程。

在正常運(yùn)行時(shí)，僅監(jiān)測(cè) (C{MID}) 電壓是否偏離 (V{IN}/2) ，偏離范圍由HYSPRGM引腳連接的電阻設(shè)置。如果 (V{CMID}) 超出該范圍，所有開(kāi)關(guān)停止，TRACK/SS引腳被拉低，內(nèi)部電流源開(kāi)啟，將 (C{FLY}) 和 (C{MID}) 電壓恢復(fù)到 (V_{IN}/2) ，F(xiàn)AULT引腳被拉低，平衡完成后釋放。

4.2 主控制環(huán)路

電容平衡階段完成后，進(jìn)入正常工作模式。當(dāng)時(shí)鐘設(shè)置RS鎖存器時(shí)，MOSFET M1和M3開(kāi)啟；當(dāng)主電流比較器 (I{CMP}) 重置RS鎖存器時(shí)，M1和M3關(guān)閉，M2和M4開(kāi)啟。 (I{CMP}) 重置RS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。 (V{FB}) 引腳接收電壓反饋信號(hào)，與內(nèi)部參考電壓比較，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)， (V{FB}) 相對(duì)0.8V參考電壓略有下降，導(dǎo)致 (I_{TH}) 電壓增加，直到平均電感電流匹配新的負(fù)載電流。

4.3 (INTV{CC}/EXTV{CC}) 電源

自舉驅(qū)動(dòng)器、底部MOSFET和大多數(shù)內(nèi)部電路的電源來(lái)自 (INTV{CC}) 引腳。當(dāng) (EXTV{CC}) 引腳接地或電壓低于7V時(shí)，內(nèi)部5.8V線性調(diào)節(jié)器從 (V{IN}) 提供 (INTV{CC}) 電源；當(dāng) (EXTV{CC}) 電壓高于7V時(shí)，該線性調(diào)節(jié)器關(guān)閉，另一個(gè)5.8V線性調(diào)節(jié)器開(kāi)啟，從 (EXTV{CC}) 提供 (INTV_{CC}) 電源，提高系統(tǒng)效率。

4.4 自舉電容刷新

三個(gè)最上面的MOSFET驅(qū)動(dòng)器分別由各自的浮動(dòng)自舉電容CB1至CB3偏置，這些電容在開(kāi)關(guān)過(guò)程中通過(guò)由二極管D1至D3和外部MOSFET組成的電荷泵配置進(jìn)行刷新。在電荷平衡階段或輕載條件下，開(kāi)關(guān)可能長(zhǎng)時(shí)間停止，自舉電容電壓可能下降，欠壓檢測(cè)器會(huì)監(jiān)測(cè)電容電壓。當(dāng)任何一個(gè)電容電壓低于3V時(shí)，內(nèi)部1mA電流源開(kāi)啟，通過(guò)電容上極板對(duì)其充電，同時(shí)連接到下極板的1mA電流源開(kāi)啟，確保下極板電容節(jié)點(diǎn)凈零殘余電流。當(dāng)CB1和CB2/CB3分別達(dá)到4.3V和4.47V時(shí)，刷新停止；當(dāng)CB2和CB3需要刷新時(shí)，所有開(kāi)關(guān)停止。

4.5 關(guān)斷和啟動(dòng)

當(dāng)RUN引腳電壓低于1.3V時(shí)， (INTV_{CC}) 線性調(diào)節(jié)器和所有由該電源供電的內(nèi)部電路禁用，主控制環(huán)路也禁用。釋放RUN引腳，內(nèi)部1μA電流源將其拉高，使芯片啟用。RUN引腳也可由邏輯直接驅(qū)動(dòng)，但電壓不能超過(guò)6V。

輸出電壓 (V_{OUT}) 的斜率可由TRACK/SS引腳電壓控制。當(dāng)TRACK/SS引腳電壓低于內(nèi)部參考0.8V（或EXTREF）時(shí)，LTC7821將 (V{FB}) 電壓調(diào)節(jié)到TRACK/SS電壓，而不是參考電壓。通過(guò)在TRACK/SS引腳連接外部電容到SGND，可以編程軟啟動(dòng)周期。內(nèi)部10μA上拉電流對(duì)該電容充電，在TRACK/SS引腳產(chǎn)生電壓斜坡，輸出電壓 (V{OUT}) 從零平滑上升到最終值。或者，TRACK/SS引腳可用于使 (V{OUT}) 啟動(dòng)跟蹤另一個(gè)電源的啟動(dòng)。

4.6 輕載電流操作

LTC7821可進(jìn)入高效的Burst Mode操作、恒定頻率脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。將MODE/PLLIN引腳連接到低于0.6V的直流電壓（如SGND），選擇強(qiáng)制連續(xù)操作；連接到 (INTV_{CC}) ，選擇脈沖跳躍模式；浮空該引腳，選擇Burst Mode操作。

在Burst Mode操作中，電感中的峰值電流設(shè)置為最大感測(cè)電壓的約三分之一，即使 (I{TH}) 引腳電壓指示較低值。如果平均電感電流高于負(fù)載電流，誤差放大器輸出EA將降低 (I{TH}) 引腳電壓。當(dāng) (I_{TH}) 電壓低于0.5V時(shí)，內(nèi)部睡眠信號(hào)變高，所有外部MOSFET關(guān)閉，負(fù)載電流由輸出電容提供。當(dāng)輸出電壓下降到一定程度，睡眠信號(hào)變低，控制器在下一個(gè)內(nèi)部振蕩器周期開(kāi)啟外部MOSFET，恢復(fù)正常操作。在這種模式下，電感電流不允許反向。

在強(qiáng)制連續(xù)操作中，輕載或大瞬態(tài)條件下電感電流允許反向，峰值電感電流由 (I_{TH}) 引腳電壓決定。該模式下輕載效率低于Burst Mode操作，但輸出紋波較低，對(duì)音頻電路干擾較小。

當(dāng)MODE/PLLIN引腳連接到 (INTV{CC}) 時(shí)，LTC7821在輕載時(shí)以PWM脈沖跳躍模式操作。在非常輕的負(fù)載下，電流比較器 (I{CMP}) 可能在幾個(gè)周期內(nèi)保持觸發(fā)，迫使外部MOSFET M1和M3在相同周期內(nèi)保持關(guān)閉（即跳過(guò)脈沖），電感電流不允許反向（不連續(xù)操作）。該模式與強(qiáng)制連續(xù)操作類似，輸出紋波和音頻噪聲較低，射頻干擾較小，低電流效率高于強(qiáng)制連續(xù)模式，但遠(yuǎn)低于Burst Mode操作。

4.7 頻率選擇和鎖相環(huán)

開(kāi)關(guān)頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作通過(guò)減少M(fèi)OSFET開(kāi)關(guān)損耗提高效率，但需要更大的電感和/或輸出電容來(lái)保持低輸出紋波電壓，同時(shí)也需要更大的BOOST電容和平衡電容（ (C{FLY}) 和 (C{MID}) ），因?yàn)樗⑿滤俾瘦^低。LTC7821的開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)FREQ引腳選擇。如果MODE/PLLIN引腳未由外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)REQ引腳可將控制器的工作頻率編程為50kHz至1.7MHz。

FREQ引腳有10μA電流流出，用戶可通過(guò)連接到SGND的單個(gè)電阻編程控制器的開(kāi)關(guān)頻率。

LTC7821集成了鎖相環(huán)（PLL），可將內(nèi)部振蕩器與連接到MODE/PLLIN引腳的外部時(shí)鐘源同步。同步時(shí)，控制器以強(qiáng)制連續(xù)模式操作。PLL環(huán)路濾波器網(wǎng)絡(luò)集成在LTC7821內(nèi)部，鎖相環(huán)能夠鎖定200kHz至1.5MHz范圍內(nèi)的任何頻率。在鎖定到外部時(shí)鐘之前，頻率設(shè)置電阻應(yīng)始終存在，以設(shè)置控制器的初始開(kāi)關(guān)頻率。

4.8 溫度監(jiān)測(cè)

當(dāng)LTC7821芯片溫度達(dá)到150°C時(shí)，開(kāi)關(guān)停止，TRACK/SS引腳被拉低，電荷平衡也禁用。

LTC7821可通過(guò)TEMP引腳進(jìn)行熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)。使用PTC熱敏電阻作為電阻分壓器的下臂，將分壓器的公共點(diǎn)連接到TEMP引腳。當(dāng)溫度超過(guò)PTC熱敏電阻的居里點(diǎn)時(shí)，電壓急劇增加。當(dāng)TEMP引腳達(dá)到1.22V時(shí)，所有開(kāi)關(guān)停止100ms。如果在100ms超時(shí)期間TEMP引腳電壓低于1.1V，TRACK/SS引腳和FAULT被釋放；如果TEMP引腳電壓保持高于1.1V，超時(shí)時(shí)間將延長(zhǎng)，直到電壓降至1.1V以下。觸發(fā)熱點(diǎn)保護(hù)的溫度決定了熱敏電阻的選擇，該溫度通常是熱敏電阻在25°C時(shí)電阻的兩倍。

4.9 電源良好（PGOOD引腳）

當(dāng) (V_{FB}) 引腳電壓不在內(nèi)部0.8V參考或EXTREF設(shè)置的參考值的±10%范圍內(nèi)時(shí)，PGOOD引腳被拉低。當(dāng)RUN引腳低于1.3V或LTC7821處于軟啟動(dòng)或跟蹤階段時(shí)，PGOOD引腳也被拉低。當(dāng) (V{FB}) 引腳在參考窗口的±10%范圍內(nèi)時(shí)，PGOOD引腳立即標(biāo)記電源良好。但當(dāng) (V_{FB}) 超出±10%窗口時(shí)，有一個(gè)內(nèi)部50μs的電源不良屏蔽時(shí)間。PGOOD引腳可通過(guò)外部電阻上拉至最高80V的電源。

4.10 故障（FAULT引腳）

在LTC7821初始上電或通過(guò)RUN引腳啟用芯片時(shí)，即使 (C{FLY}) 和/或 (C{MID}) 需要重新平衡到 (V_{IN}/2) ，F(xiàn)AULT引腳也不會(huì)被拉低。但在正常操作中，需要重新平衡時(shí)，F(xiàn)AULT引腳被拉低。另一個(gè)導(dǎo)致FAULT引腳變低的條件是熱關(guān)斷，可能是內(nèi)部芯片溫度達(dá)到150°C或TEMP引腳電壓達(dá)到1.22V。FAULT引腳可通過(guò)外部電阻上拉至最高80V的電源。

五、應(yīng)用信息

5.1 電流傳感

5.1.1 (ISNS+) 和ISNS–引腳

(ISNS+) 和 (ISNS–) 引腳是電流比較器的輸入，電流比較器的共模輸入電壓范圍為0V至36V。兩個(gè)ISNS引腳都是高阻抗輸入，漏電流小于1.2μA。在正常操作中，應(yīng)注意不要讓這些引腳浮空。濾波組件應(yīng)靠近LTC7821放置，感測(cè)線應(yīng)緊密排列并進(jìn)行Kelvin連接，以確保準(zhǔn)確的電流感測(cè)。

5.1.2 電阻電流傳感

使用離散電阻進(jìn)行電流傳感時(shí)，RSENSE根據(jù)所需輸出電流選擇。電流比較器的最大閾值為50mV，輸入共模范圍為0V至36V。通過(guò)公式 (R{SENSE}=frac{50 mV}{I{(MAX)}+frac{Delta I{L}}{2}}) 計(jì)算感測(cè)電阻值。同時(shí)，需要驗(yàn)證AC電流感測(cè)紋波 (Delta V{SENSE }=Delta I{L} cdot R{SENSE }) ，以獲得良好的信噪比。對(duì)于占空比小于40%的應(yīng)用，建議 (Delta V_{SENSE }) 為10mV。在高頻應(yīng)用中，還需要考慮感測(cè)電阻的寄生電感。

5.1.3 電感DCR傳感

對(duì)于高負(fù)載電流應(yīng)用，LTC7821可通過(guò)感測(cè)電感DCR來(lái)實(shí)現(xiàn)最高效率。選擇外部R1||R2 ? C1時(shí)間常數(shù)等于L/DCR時(shí)間常數(shù)，可使外部電容上的電壓等于電感DCR上的電壓乘以R2/(R1 + R2)。通過(guò)測(cè)量電感的DCR，并根據(jù)公式計(jì)算目標(biāo)感測(cè)電阻值和相關(guān)組件參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流感測(cè)。

5.2 電感選擇

5.2.1 電感值計(jì)算

根據(jù)所需的輸入和輸出電壓、電感值和工作頻率 (f{osc}) ，可直接確定電感的峰峰值紋波電流。為了降低電感的磁芯損耗、輸出電容的ESR損耗和輸出電壓紋波，應(yīng)選擇較低的紋波電流。對(duì)于占空比小于40%的應(yīng)用，可選擇紋波電流約為 (I{OUT(MAX)}) 的40%；對(duì)于占空比大于40%的應(yīng)用，可根據(jù)相關(guān)公式確定最小電感值，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.2.2 電感磁芯選擇

確定電感值后，需要選擇合適的電感磁芯。鐵氧體設(shè)計(jì)具有較低的磁芯損耗，在高開(kāi)關(guān)頻率下更受歡迎。但需要注意避免磁芯飽和，因?yàn)榇判撅柡蜁?huì)導(dǎo)致電感紋波電流和輸出電壓紋波突然增加。

5.3 功率MOSFET選擇

LTC7821需要選擇四個(gè)外部功率MOSFET。由于柵極驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)自 (INTV{CC}) （通常為5.8V），因此應(yīng)選擇邏輯電平閾值MOSFET。只有最上面的MOSFET需要 (BV{DSS}) 大于 (V{IN}) ，其他MOSFET M2至M4只需 (BV{DSS}) 大于 (V_{IN}/2) 。

M1和M2工作在軟開(kāi)關(guān)模式，應(yīng)選擇低 (Q{oss} cdot R{dsON}) 乘積的MOSFET；M3和M4的工作方式類似于傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器，M3硬開(kāi)關(guān)，M4零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），應(yīng)分別選擇低 ((Q{gd} cdot R{dsON})) 和 ((Q{g} cdot R{dsON})) 乘積的MOSFET。

5.4 (C_{FLY}) 和 (C