LT8471：一款高性能雙拓撲DC/DC轉換器的深度解析

在電子設計領域，DC/DC轉換器是不可或缺的重要組件，它能實現(xiàn)不同電壓之間的轉換，為各種電子設備提供穩(wěn)定的電源。今天我們要深入探討的是Linear Technology公司的LT8471雙拓撲DC/DC轉換器，它具有獨特的性能和豐富的功能，能滿足多種應用場景的需求。

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一、產品概述

LT8471是一款雙PWM DC/DC轉換器，集成了兩個內部2A、50V開關和一個額外的500mA開關，可實現(xiàn)降壓和反相轉換。每個2A通道都能獨立配置為降壓（Buck）、升壓（Boost）、SEPIC、反激（Flyback）或反相轉換器，能從單個輸入軌生成正輸出和負輸出，非常適合許多本地電源設計。

主要特性

1. 多通道與高電流能力：具備雙2A和一個500mA的內部功率開關通道，2A主通道可實現(xiàn)多種拓撲結構的DC/DC轉換，500mA的Skyhook通道能高效生成升壓輸入電壓。
2. 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為2.6V至50V，能適應不同的電源環(huán)境。
3. 可編程功能：具有可編程的欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）功能，每個通道的軟啟動也可進行編程。
4. 頻率控制：采用固定頻率PWM控制，可通過RT引腳設置頻率或同步到外部時鐘，反相開關能降低輸入紋波。
5. 多種封裝形式：提供20引腳TSSOP和28引腳QFN封裝，方便不同的應用需求。

二、引腳功能與工作原理

引腳功能

LT8471的引腳眾多，每個引腳都有其特定的功能：

• C1、C2：主內部NPN功率開關的集電極引腳，若連接直流電壓需進行本地旁路；若為開關引腳，應盡量減小連接的走線面積以降低EMI。
• C3：Skyhook通道的集電極引腳，使用Skyhook通道時需減小連接的金屬走線面積；不使用時將其接地。
• E1、E2：主內部NPN功率開關的發(fā)射極引腳，除非接地，否則應減小連接的走線面積以降低EMI。
• FB1、FB2：主通道的反饋引腳，通過連接電阻分壓器來設置輸出電壓。
• GND：接地引腳，所有接地引腳都需直接焊接到本地接地平面，封裝的外露焊盤提供與接地的電氣連接和良好的熱接觸。
• OV/UV：過壓/欠壓引腳，連接到1.215V（典型值）或更高電壓可啟用設備，接地則關閉設備，可通過連接外部電阻分壓器配置為UVLO和OVLO。
• PG1、PG2：電源正常引腳，連接上拉電阻，當相應輸出電壓低于目標輸出電壓的7.5%時，引腳被拉低；當輸出電壓高于目標電壓的92.5%時，引腳驅動器關閉，指示輸出電壓正常。
• RT：定時電阻引腳，通過連接電阻到地來設置開關頻率。
• SHOUT：Skyhook輸出電壓引腳，是內部肖特基二極管的陰極和Skyhook升壓轉換器的輸出。
• SS1、SS2：軟啟動引腳，連接軟啟動電容，啟動時通過250k電阻充電至約2.15V。
• SYNC：同步引腳，連接外部時鐘可同步開關頻率，高電平需超過1.3V，低電平應低于0.4V；驅動該引腳低于0.4V可恢復內部自由運行時鐘。
• VIN1：輸入電源引腳1，為主通道1和Skyhook通道供電，也為所有通道的其他電路提供電源，電壓需大于2.6V，且需進行本地旁路。
• VIN2：輸入電源引腳2，為主通道2供電，使用通道2時電壓需大于2.6V，同樣需進行本地旁路。

工作原理

主通道

兩個主通道可獨立配置為多種DC/DC轉換器，采用恒定頻率、電流模式控制方案進行線路和負載調節(jié)。通道1的時鐘與內部振蕩器或SYNC引腳同相，通道2的時鐘與通道1的時鐘大約相差180°，以減少瞬態(tài)開關尖峰。在每個時鐘相位開始時，SR鎖存器置位，打開相應通道的內部功率開關；放大器和比較器監(jiān)測開關電流，當電流達到由VC1/VC2電壓確定的水平時，關閉開關。誤差放大器通過外部電阻分壓器測量輸出電壓，并調節(jié)VC1/VC2電壓，從而控制輸出電流。主通道還包含電源正常比較器，當相應FB引腳電壓達到其調節(jié)值的92.5%時觸發(fā)。

Skyhook通道

當通道配置為降壓、ZETA或單電感反相轉換器時，Skyhook通道為相應的VIN引腳提供升壓電壓，以滿足NPN功率開關的基極電流需求。Skyhook是一個恒定頻率、電壓模式升壓轉換器，集成了肖特基二極管，其輸出SHOUT被調節(jié)到比C2引腳電壓高約4.25V。若不需要Skyhook通道，可將C3引腳接地以減少VIN1的電流消耗。

啟動操作

LT8471提供了多種功能以實現(xiàn)干凈的啟動：

• OV/UV引腳監(jiān)測：內部電壓參考監(jiān)測OV/UV引腳電壓，提供精確的開啟電壓范圍，可通過外部電阻或電阻分壓器實現(xiàn)可編程的欠壓和過壓鎖定功能。
• 軟啟動電路：為主通道的開關電流和Skyhook通道的占空比提供逐漸上升的功能。啟動時，外部SS電容先放電，然后通過內部250k電阻將SS引腳充電至約2.15V，通過連接外部電容可設置引腳的電壓上升速率。
• 頻率折返：當相應FB引腳電壓低于特定閾值時，主通道的開關頻率會折返2、4或8倍，減少最小占空比，便于在啟動時更好地控制開關電流，同時在折返期間禁用斜率補償功能以增加可輸出的電流。

熱關斷操作

當器件溫度超過約164°C時，熱關斷電路會觸發(fā)，SR21和SR22鎖存器置位；溫度下降到約162.5°C以下后，將啟動完整的軟啟動周期，保護功率開關和外部組件。

三、應用信息

輸入電源要求

在低側配置中，E引腳通常接地，C引腳切換，相應通道的VIN需在2.6V至40V范圍內。高側配置要求C引腳連接到正直流電壓源，E引腳切換，通道的VIN引腳應比相應C引腳高至少2.2V（典型值），以提供足夠的驅動電壓給NPN功率開關。VIN1是LT8471的主電源，為通道1、Skyhook通道和大部分內部控制及偏置電路供電；VIN2為通道2供電，僅在使用通道2時需要供電。

開關配置與Skyhook調節(jié)器

主通道的NPN功率開關可采用低側或高側配置。低側連接時，功率開關在電感的低電壓側；高側連接時，功率開關在電感的高電壓側。Skyhook升壓調節(jié)器可在需要時為高側開關拓撲提供額外的VIN電壓，其輸出SHOUT被調節(jié)到比C2引腳電壓高約4.25V。

內部欠壓鎖定

LT8471會監(jiān)測VIN1和VIN2的電源電壓，當檢測到VIN1電壓低時，所有功率開關停用，SS1和SS2的軟啟動電容放電；VIN1電壓恢復后，通道1的功率開關重新啟用，SS1開始充電。當檢測到VIN2電壓低時，通道2的功率開關停用，SS2的軟啟動電容放電；VIN1和VIN2電壓都恢復后，通道2的功率開關重新啟用，SS2開始充電。

振蕩器與時鐘同步

內部自由運行振蕩器可設置LT8471的工作頻率，當SYNC引腳驅動為低電平（<0.4V）時，工作頻率由RT引腳到地的電阻決定，計算公式為 (f{osc}=frac{85.5}{R{T}+1}) （ (f{osc}) 單位為MHz， (R{T}) 單位為kΩ）。也可將LT8471的工作頻率同步到外部時鐘源，只需將數(shù)字時鐘信號輸入SYNC引腳，SYNC信號的占空比需在35%至65%之間，頻率需在100kHz至2MHz范圍內，且不應低于自由運行振蕩器頻率的25%。

軟啟動

LT8471的軟啟動電路可限制啟動時的峰值開關電流。通過在SS1和SS2引腳連接外部電容（通常為100nF至1μF），在器件激活后，內部250k電阻將電容緩慢充電至約2.15V。SS1引腳電壓低于約0.8V時，會降低Skyhook通道的占空比；低于約1.4V時，會降低通道1的電流限制。SS2引腳電壓低于約1.4V時，會降低通道2的電流限制，從而實現(xiàn)輸出電容的緩慢充電，限制啟動電流。

關機

OV/UV引腳用于啟用和禁用芯片，當OV/UV電壓低于1.215V（典型值）時，開關活動禁用；低于300mV時，靜態(tài)電流極低，芯片完全關機；電壓在1.215V至1.37V之間時，芯片正常工作。OV/UV引腳內部鉗位至約1.37V，應通過電阻連接以限制電流。

輸出電壓設置

主通道的輸出電壓可通過在輸出和FB引腳之間連接電阻分壓器進行編程，計算公式為 (R{A}=R{B} cdotleft(frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right)) ，其中 (V_{FB}) 為反饋電壓（正輸出電壓典型值為0.789V，負輸出電壓為 -0.788V）。

啟動順序

通過將一個主通道的PG引腳連接到另一個通道的SS引腳，可實現(xiàn)輸出的啟動順序控制。例如，將PG1連接到SS2，可使通道1的輸出在啟動時先于通道2的輸出。若同時使用電源啟動順序和Skyhook通道，需根據(jù)具體情況進行連接。

功率開關占空比

為保持環(huán)路穩(wěn)定性并向負載提供足夠的電流，內部功率開關的占空比不能達到100%，最大允許占空比計算公式為 (DC{MAX }=left(frac{T{P}-MIN{(OFF) TIME }}{T{P}}right) cdot 100 %) ，其中 (T{P}) 為時鐘周期， (MIN {(OFF)TIME }) 典型值為170ns。不同拓撲結構的占空比計算公式也不同，設計應用時應確保穩(wěn)態(tài)占空比不超過 (DC_{MAX}) 。

電感選擇

一般準則

LT8471的高頻操作允許使用小尺寸的表面貼裝電感。為提高效率，應選擇具有高頻核心材料（如鐵氧體）的電感，以減少核心損耗；選擇體積較大的電感，以降低DCR（銅線電阻），減少 (I^{2}R) 損耗；電感應能承受峰值電感電流而不發(fā)生飽和；為減少輻射噪聲，可使用環(huán)形或屏蔽電感。

最小電感

選擇電感時，需考慮提供足夠的負載電流和避免次諧波振蕩兩個條件。提供足夠負載電流時，不同拓撲結構的最小電感計算公式不同；避免次諧波振蕩時，當占空比大于50%，電感需滿足一定的最小值要求。

最大電感

過大的電感會降低電流紋波，使電流比較器難以區(qū)分，導致占空比抖動和調節(jié)性能變差。最大電感可根據(jù)不同拓撲結構的公式進行計算。

最大電流額定值

電感必須能夠承受峰值工作電流，以防止電感飽和導致效率降低。不同拓撲結構的峰值輸入電感電流計算公式不同，且在負載瞬變和啟動時，電感電流可能會更高。

電容選擇

主通道的輸出應使用低ESR（等效串聯(lián)電阻）電容，以最小化輸出紋波電壓，多層陶瓷電容是不錯的選擇，X5R或X7R電介質更優(yōu)。輸入去耦電容也應使用低ESR電容，陶瓷電容是合適的選擇。

補償理論

主通道需要進行補償以實現(xiàn)穩(wěn)定和高效的運行，采用兩個反饋回路，快速電流回路無需補償，慢速電壓回路需要補償。電壓回路補償網(wǎng)絡集成在LT8471內部，可通過標準的波特圖分析來調整電壓反饋回路。

二極管選擇

建議使用肖特基二極管，其具有低正向電壓降和快速開關速度。每個主通道需要一個外部二極管作為第二個開關，正常運行時的平均正向電流可根據(jù)公式 (ID(AVG)=I{OUT } cdot(1-DC)) 計算，應選擇能夠承受至少 (I{D(AVG)}) 的二極管，并考慮其寄生電容和反向泄漏電流。

Skyhook配置要求

Skyhook為高側配置的通道提供升壓VIN電壓，高側通道的C引腳連接到正直流電壓源，E引腳切換，VIN引腳應比相應C引腳高至少2.2V。Skyhook輸出SHOUT被調節(jié)到比C2引腳電壓高約4.25V，可連接到相應的VIN引腳。若不需要Skyhook通道，可將C3引腳接地以減少VIN1的電流消耗。

電容和二極管選擇（Skyhook）

Skyhook輸出應使用低ESR電容，陶瓷電容是不錯的選擇，電容值會影響穩(wěn)定性。Skyhook有內置的肖特基二極管，在負載電流較高時，可連接外部肖特基二極管以提高性能。Skyhook通道的輸出電流可根據(jù)公式 (OUT cong frac{left(V{C C}+4.25 Vright) cdotleft(I{OUT 1} cdot D C{1}+I{OUT 2} cdot DC{2}right)}{beta cdot V{C C} cdot eta}) 進行估算。

電感選擇（Skyhook）

Skyhook升壓轉換器的電感選擇需考慮提供足夠的負載電流、避免功率開關電流過沖和保持良好的環(huán)路穩(wěn)定性三個條件。最小電感可根據(jù)不同情況進行計算，同時應選擇飽和電流為500mA或更高的電感，以避免電感飽和。

補償（Skyhook）

Skyhook內部進行補償，環(huán)路穩(wěn)定性可通過電感和輸出電容進行調整。在大多數(shù)應用中，使用15μH的Skyhook電感和0.47μF的輸出電容可獲得良好的穩(wěn)定性。根據(jù)具體情況，可通過調整輸出電容和電感的值來改善性能。

熱考慮

為使LT8471能夠提供全輸出功率，需要提供良好的熱路徑來散發(fā)封裝內產生的熱量?？衫肐C底部的散熱墊，在印刷電路板上使用多個過孔將熱量傳導到盡可能大的銅平面上。

功率和熱計算

LT8471芯片的功率損耗主要來自開關 (I^{2}R) 損耗、開關動態(tài)損耗、NPN基極驅動直流損耗和雜散輸入電流損耗?？筛鶕?jù)具體應用的參數(shù)計算功率損耗，并使用公式 (T{J}=T{A}+theta{J A} cdot P{TOTAL }) 計算芯片的結溫，其中 (T{J}) 為結溫， (T{A}) 為環(huán)境溫度， (P{TOTAL}) 為總功率損耗， (theta{JA}) 為熱阻。

熱鎖定

當芯片溫度超過164°C時，會進入熱鎖定狀態(tài)；溫度下降約1.5°C后，故障條件解除。

VIN斜坡率

啟動開關轉換器應用時，應限制VIN的斜坡率，高斜坡率可能導致轉換器的無源組件產生過大的浪涌電流，損壞組件或芯片。建議斜坡率小于500mV/μs，并避免熱插拔。

布局指南

布局時需注意實現(xiàn)最佳的電氣、熱和噪聲性能，高速開關電流路徑應盡可能短，以減少輻射和傳導噪聲。每個通道的高速開關電流通過特定的組件形成回路，應盡量減小回路面積，同時使用接地平面防止平面間耦合和整體噪聲，但開關引腳連接的平面下不應有接地平面，以減小開關引腳的雜散電容。電路板布局對熱阻也有顯著影響，應充分利用封裝的外露接地墊，提供盡可能大的銅面積，并在墊周圍添加多個過孔連接到接地平面。

四、典型應用

文檔中給出了多個典型應用電路，如寬輸入范圍降壓轉換器與升壓轉換器組合、跟蹤±12V電源、寬輸入范圍±5V輸出轉換器、升壓轉換器與降壓轉換器組合等。這些應用電路展示了LT8471在不同場景下的具體應用，通過合理選擇組件和參數(shù)，可實現(xiàn)穩(wěn)定的電源輸出。

五、總結

LT8471作為一款高性能的雙拓撲DC/DC轉換器，具有豐富的功能和出色的性能。在設計應用時，需要綜合考慮輸入電源要求、開關配置、電感和電容選擇、補償?shù)榷鄠€方面，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，合理的布局和熱管理也是實現(xiàn)良好性能的關鍵。希望本文能為電子工程師在使用LT8471進行設計時提供有價值的參考。你在使用LT8471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。