深入剖析LTC3769：高性能同步升壓控制器的卓越之選

在電子工程領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一款優(yōu)秀的升壓控制器能夠顯著提升系統(tǒng)的性能和效率。今天，我們就來(lái)深入探討凌力爾特（現(xiàn)屬ADI）的LTC3769——一款高性能單輸出同步升壓轉(zhuǎn)換器控制器。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3769是一款專(zhuān)為滿(mǎn)足各種復(fù)雜電源需求而設(shè)計(jì)的同步升壓控制器。它具備廣泛的輸入電壓范圍（4.5V至60V，啟動(dòng)后可低至2.3V）和高達(dá)60V的輸出電壓能力，能夠適應(yīng)多種系統(tǒng)架構(gòu)和電池化學(xué)特性。其同步整流技術(shù)不僅提高了效率，減少了功率損耗，還降低了熱要求，為高功率升壓應(yīng)用提供了簡(jiǎn)單而有效的解決方案。此外，僅28μA的無(wú)負(fù)載靜態(tài)電流，大大延長(zhǎng)了電池供電系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

二、關(guān)鍵特性

（一）寬輸入輸出電壓范圍

• 輸入電壓：4.5V至60V的寬輸入范圍，涵蓋了眾多系統(tǒng)架構(gòu)和電池類(lèi)型。啟動(dòng)后，即使輸入電壓低至2.3V，控制器仍能正常工作。
• 輸出電壓：最高可達(dá)60V，滿(mǎn)足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

（二）高效同步操作

采用同步整流技術(shù)，提高了轉(zhuǎn)換效率，減少了發(fā)熱，降低了功率損耗。這對(duì)于需要高功率輸出的應(yīng)用尤為重要，能夠有效提高系統(tǒng)的整體性能。

（三）低靜態(tài)電流

28μA的無(wú)負(fù)載靜態(tài)電流，使得LTC3769在電池供電系統(tǒng)中表現(xiàn)出色，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，降低了功耗。

（四）可編程特性

• 頻率：可編程固定頻率范圍為50kHz至900kHz，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。
• 電流限制：通過(guò)ILIM引腳可設(shè)置不同的峰值電流檢測(cè)電壓，靈活適應(yīng)不同的負(fù)載要求。

（五）其他特性

• 1%精度的1.200V參考電壓，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 具備Power Good輸出電壓監(jiān)控功能，方便系統(tǒng)監(jiān)控輸出電壓狀態(tài)。
• 低關(guān)機(jī)電流（4μA），進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗。

三、引腳功能詳解

（一）VBIAS（引腳1/19）

主電源引腳，通常連接到輸入電源VIN或升壓轉(zhuǎn)換器的輸出。需要在該引腳和信號(hào)地引腳之間連接旁路電容，以確保穩(wěn)定的電源供應(yīng)。其工作電壓范圍為4.5V至60V（絕對(duì)最大值65V）。

（二）PGOOD（引腳2/20）

電源良好指示引腳。當(dāng)輸出電壓偏離穩(wěn)壓輸出電壓超過(guò)±10%時(shí)，該引腳會(huì)被拉低。為避免誤觸發(fā)，輸出電壓必須在該范圍外持續(xù)45μs后，該輸出才會(huì)被激活。

（三）ILIM（引腳3/1）

電流比較器檢測(cè)電壓范圍輸入引腳。通過(guò)將該引腳連接到SGND、浮空或INTVCC，可分別將峰值電流檢測(cè)電壓設(shè)置為50mV、75mV或100mV。

（四）INTVCC（引腳5、22/引腳2、17）

內(nèi)部5.4V LDO的輸出引腳，為控制電路和柵極驅(qū)動(dòng)器提供電源。需要使用至少4.7μF的低ESR陶瓷電容將引腳22/17與GND解耦，并通過(guò)印刷電路板上的走線將引腳5/2與引腳22/17連接。

（五）FREQ（引腳7/3）

內(nèi)部VCO的頻率控制引腳。將該引腳連接到GND可使VCO固定在350kHz的低頻；連接到INTVCC可使VCO固定在535kHz的高頻。也可通過(guò)連接一個(gè)電阻到GND來(lái)編程50kHz至900kHz的頻率。

（六）GND（引腳8、10、24、外露焊盤(pán)引腳25/引腳4、外露焊盤(pán)引腳21）

接地引腳。所有接地引腳必須連接，外露焊盤(pán)必須焊接到PCB上，以確保額定的電氣和熱性能。

（七）PLLIN/MODE（引腳9/5）

外部同步輸入到相位檢測(cè)器和強(qiáng)制連續(xù)模式輸入引腳。當(dāng)施加外部時(shí)鐘時(shí)，鎖相環(huán)會(huì)使BG的上升沿與外部時(shí)鐘的上升沿同步。該引腳還可用于選擇輕載時(shí)的工作模式，如Burst Mode、脈沖跳過(guò)模式或強(qiáng)制連續(xù)模式。

（八）RUN（引腳11/6）

運(yùn)行控制輸入引腳。將該引腳拉低至1.28V以下會(huì)關(guān)閉主控制環(huán)路；拉低至0.7V以下會(huì)禁用控制器和大多數(shù)內(nèi)部電路，將靜態(tài)電流降低至約4μA。可通過(guò)外部電阻分壓器連接到VIN來(lái)設(shè)置轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行閾值。

（九）SS（引腳12/7）

輸出軟啟動(dòng)輸入引腳。通過(guò)在該引腳與地之間連接一個(gè)電容，可設(shè)置啟動(dòng)時(shí)輸出電壓的上升速率。

（十）SENSE–（引腳13/8）

負(fù)電流檢測(cè)比較器輸入引腳。通常連接到與電感器串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻的負(fù)端。

（十一）SENSE+（引腳14/9）

正電流檢測(cè)比較器輸入引腳。通常連接到電流檢測(cè)電阻的正端，同時(shí)為電流比較器提供電源。該引腳和SENSE–引腳的共模電壓范圍為2.3V至60V（絕對(duì)最大值65V）。

（十二）VFB（引腳15/10）

誤差放大器反饋輸入引腳。接收來(lái)自跨接在輸出端的外部電阻分壓器的遠(yuǎn)程感測(cè)反饋電壓。

（十三）ITH（引腳16/11）

電流控制閾值和誤差放大器補(bǔ)償點(diǎn)引腳。該引腳的電壓設(shè)置電流跳閘閾值。

（十四）OVMODE（引腳17/12）

過(guò)壓模式選擇輸入引腳。用于選擇輸出反饋電壓（VFB）過(guò)壓（超過(guò)其正常穩(wěn)壓點(diǎn)1.2V的110%）時(shí)的工作模式，以及在通過(guò)PLLIN/MODE引腳與外部時(shí)鐘同步時(shí)的輕載工作模式。

（十五）SW（引腳18/13）

開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳。連接到同步N溝道MOSFET的源極、主N溝道MOSFET的漏極和電感器。

（十六）TG（引腳19/14）

頂部柵極引腳。連接到同步N溝道MOSFET的柵極。

（十七）BOOST（引腳20/15）

同步N溝道MOSFET的浮動(dòng)電源引腳。通過(guò)電容與SW旁路，并通過(guò)肖特基二極管連接到INTVCC供電。

（十八）BG（引腳21/16）

底部柵極引腳。連接到主N溝道MOSFET的柵極。

（十九）EXTVCC（引腳23/18）

內(nèi)部LDO的外部電源輸入引腳。當(dāng)EXTVCC高于4.7V時(shí)，該LDO會(huì)為INTVCC供電，繞過(guò)由VIBias供電的內(nèi)部LDO。

四、工作原理

（一）主控制環(huán)路

LTC3769采用恒定頻率、電流模式升壓架構(gòu)。在正常運(yùn)行時(shí)，外部底部MOSFET在時(shí)鐘設(shè)置RS鎖存器時(shí)導(dǎo)通，在主電流比較器ICMP重置RS鎖存器時(shí)關(guān)斷。ICMP跳閘并重置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引腳的輸出電壓反饋信號(hào)與內(nèi)部1.200V參考電壓進(jìn)行比較，根據(jù)負(fù)載電流的變化調(diào)整ITH電壓，以匹配新的電感電流需求。

（二）INTVCC/EXTVCC電源

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(lái)自INTVCC引腳。當(dāng)EXTVCC引腳電壓低于4.8V時(shí)，VBIAS LDO從VBIAS向INTVCC提供5.4V電源；當(dāng)EXTVCC高于4.8V時(shí)，VBIAS LDO關(guān)閉，EXTVCC LDO開(kāi)啟，從EXTVCC向INTVCC提供5.4V電源。

（三）關(guān)機(jī)和啟動(dòng)

通過(guò)RUN引腳可關(guān)閉LTC3769。將該引腳拉低至1.28V以下會(huì)關(guān)閉主控制環(huán)路；拉低至0.7V以下會(huì)禁用控制器和大多數(shù)內(nèi)部電路，將靜態(tài)電流降低至約4μA。啟動(dòng)時(shí)，SS引腳的電壓控制輸出電壓的上升。當(dāng)SS引腳電壓低于1.2V內(nèi)部參考電壓時(shí)，LTC3769將VFB電壓調(diào)節(jié)到SS引腳電壓，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

（四）輕載電流操作

LTC3769可在低負(fù)載電流時(shí)進(jìn)入高效的Burst Mode、恒定頻率脈沖跳過(guò)模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。通過(guò)PLLIN/MODE引腳選擇不同的工作模式。在Burst Mode下，電感電流不允許反向，可降低功耗；在強(qiáng)制連續(xù)模式下，電感電流允許反向，輸出電壓紋波較低；在脈沖跳過(guò)模式下，可在輕載時(shí)保持恒定頻率操作，具有較低的輸出紋波和音頻噪聲。

（五）頻率選擇和鎖相環(huán)

通過(guò)FREQ引腳可選擇開(kāi)關(guān)頻率，可將其連接到SGND、INTVCC或通過(guò)外部電阻進(jìn)行編程。LTC3769還具備鎖相環(huán)（PLL），可將內(nèi)部振蕩器與連接到PLLIN/MODE引腳的外部時(shí)鐘源同步，使外部底部MOSFET的導(dǎo)通與外部時(shí)鐘的上升沿相差180°。

（六）Vin > 調(diào)節(jié)Vout時(shí)的操作

當(dāng)Vin高于調(diào)節(jié)的Vout電壓時(shí)，升壓控制器的行為取決于工作模式、電感電流和Vin電壓。在強(qiáng)制連續(xù)模式下，控制環(huán)路會(huì)使頂部MOSFET持續(xù)導(dǎo)通；在脈沖跳過(guò)模式下，TG會(huì)根據(jù)電感電流的閾值進(jìn)行開(kāi)關(guān)；在Burst Mode下，TG保持關(guān)閉。

（七）電源良好指示

PGOOD引腳連接到內(nèi)部N溝道MOSFET的漏極。當(dāng)VFB引腳電壓不在1.2V參考電壓的±10%范圍內(nèi)或RUN引腳為低電平時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，PGOOD引腳被拉低。

（八）過(guò)壓模式選擇

OVMODE引腳用于選擇過(guò)壓事件時(shí)的工作模式。當(dāng)OVMODE連接到INTVCC時(shí)，在Burst Mode下，LTC3769進(jìn)入睡眠狀態(tài)，TG和BG保持關(guān)閉；在脈沖跳過(guò)模式下，BG保持關(guān)閉，TG在電感電流為正時(shí)導(dǎo)通；在強(qiáng)制連續(xù)模式下，TG和BG會(huì)根據(jù)電感電流進(jìn)行開(kāi)關(guān)。當(dāng)OVMODE接地或浮空時(shí)，過(guò)壓保護(hù)啟用，TG持續(xù)導(dǎo)通直到過(guò)壓條件消除。

（九）低SENSE引腳共模電壓操作

LTC3769的電流比較器直接由SENSE+引腳供電，使得SENSE+和SENSE–引腳的共模電壓可低至2.3V。當(dāng)SENSE+引腳電壓低于2.3V時(shí)，SS引腳將被拉低；當(dāng)SENSE電壓恢復(fù)到正常工作范圍時(shí)，SS引腳將被釋放，啟動(dòng)新的軟啟動(dòng)周期。

（十）BOOST電源刷新和內(nèi)部電荷泵

頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器由浮動(dòng)自舉電容CB偏置，在底部MOSFET導(dǎo)通時(shí)通過(guò)外部二極管充電。內(nèi)部電荷泵可在強(qiáng)制連續(xù)模式和脈沖跳過(guò)模式下保持BOOST電源的偏置，在Burst Mode下，電荷泵在睡眠時(shí)關(guān)閉，喚醒時(shí)啟用。

五、應(yīng)用信息

（一）電流檢測(cè)

LTC3769可使用電感DCR（直流電阻）檢測(cè)或離散檢測(cè)電阻（RSENSE）進(jìn)行電流檢測(cè)。DCR檢測(cè)無(wú)需電流檢測(cè)電阻，功耗更低，尤其適用于高電流應(yīng)用；而檢測(cè)電阻可提供更精確的電流限制。

（二）電感值計(jì)算

電感值與工作頻率和紋波電流密切相關(guān)。較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，降低效率。一般建議將紋波電流設(shè)置為ΔIL = 0.3(IMAX)，最大紋波電流發(fā)生在Vin = 1/2 Vout時(shí)。

（三）功率MOSFET選擇

需要選擇兩個(gè)外部功率MOSFET，一個(gè)用于底部（主）開(kāi)關(guān)，一個(gè)用于頂部（同步）開(kāi)關(guān)。應(yīng)選擇邏輯電平閾值MOSFET，并關(guān)注其BVDSS規(guī)格。選擇時(shí)需考慮導(dǎo)通電阻RDS(ON)、米勒電容CMILLER、輸入電壓和最大輸出電流等因素。

（四）CIN和COUT選擇

輸入電容CIN的電壓額定值應(yīng)超過(guò)最大輸入電壓，其值取決于源阻抗和占空比。輸出電容COUT需要能夠降低輸出電壓紋波，選擇時(shí)需考慮ESR（等效串聯(lián)電阻）和電容值。

（五）設(shè)置輸出電壓

通過(guò)外部反饋電阻分壓器跨接在輸出端，可設(shè)置LTC3769的輸出電壓。公式為Vout = 1.2V(1 + RB/RA)。

（六）軟啟動(dòng)

通過(guò)在SS引腳與地之間連接一個(gè)電容，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。內(nèi)部10μA電流源對(duì)電容充電，使輸出電壓從Vin平滑上升到最終穩(wěn)壓值。

（七）INTVCC調(diào)節(jié)器

LTC3769具有兩個(gè)內(nèi)部P溝道低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），可根據(jù)EXTVCC引腳的連接情況，從VBIAS或EXTVCC向INTVCC提供5.4V電源。當(dāng)EXTVCC高于4.8V時(shí)，VBIAS LDO關(guān)閉，EXTVCC LDO開(kāi)啟。

（八）頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器電源

外部自舉電容CB為頂部MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。電容CB通過(guò)外部二極管從INTVCC充電，頂部MOSFET導(dǎo)通時(shí)，CB電壓加在MOSFET的柵極和源極之間。外部二極管應(yīng)選擇低泄漏和快速恢復(fù)的類(lèi)型。

（九）故障條件：過(guò)溫保護(hù)

當(dāng)結(jié)溫超過(guò)約170°C時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路會(huì)關(guān)閉LTC3769，使INTVCC電源崩潰；當(dāng)結(jié)溫降至約155°C時(shí)，INTVCC LDO重新開(kāi)啟。

（十）鎖相環(huán)和頻率同步

LTC3769的內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）可使底部MOSFET的導(dǎo)通與外部時(shí)鐘的上升沿相差180°。通過(guò)FREQ引腳設(shè)置自由運(yùn)行頻率接近所需同步頻率，可實(shí)現(xiàn)快速鎖相。

（十一）最小導(dǎo)通時(shí)間考慮

最小導(dǎo)通時(shí)間tON(MIN)是LTC3769能夠?qū)ǖ撞縈OSFET的最短時(shí)間。在強(qiáng)制連續(xù)模式下，當(dāng)占空比低于最小導(dǎo)通時(shí)間所能容納的范圍時(shí)，控制器會(huì)跳過(guò)周期，但輸出仍能保持調(diào)節(jié)。

（十二）效率考慮

開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。LTC3769電路的主要損耗源包括IC VBIAS電流、INTVCC調(diào)節(jié)器電流、I2R損耗、底部MOSFET過(guò)渡損耗和體二極管導(dǎo)通損耗。

（十三）檢查瞬態(tài)響應(yīng)

通過(guò)觀察負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)可檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)。OPTILOOP?補(bǔ)償可優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)，ITH引腳可作為測(cè)試點(diǎn)，反映閉環(huán)響應(yīng)。

六、設(shè)計(jì)示例

假設(shè)Vin = 12V（標(biāo)稱(chēng)），Vin = 22V（最大），Vout = 24V，Iout(MAX) = 4A，VSENSE(MAX) = 75mV，f = 350kHz。

（一）電感值選擇

根據(jù)30%紋波電流假設(shè)，選擇6.8μH的電感，可產(chǎn)生31%的紋波電流，峰值電感電流為9.25A。

（二）RSENSE電阻值計(jì)算

RSENSE ≤ 75mV / 9.25A = 0.008Ω，選擇1%電阻RA = 5k和RB = 95.3k，可得到24.072V的輸出電壓。

（三）功率MOSFET選擇

選擇Vishay Si7848BDP MOSFET，計(jì)算得到頂部MOSFET的功耗為0.84W。

（四）Cout選擇

選擇低ESR（5mΩ）的電容，可將輸出電壓紋波限制在46.5mV。

七、PCB布局檢查清單

（一）元件布局

將底部N溝道MOSFET和頂部N溝道MOSFET與COUT放置在一個(gè)緊湊的區(qū)域。

（二）接地

信號(hào)地和功率地應(yīng)分開(kāi)，IC信號(hào)接地引腳和CINTVCC的接地返回應(yīng)連接到COUT的負(fù)端。

（三）VFB引腳

VFB引腳的電阻分壓器應(yīng)連接到COUT的正端，并靠近VFB引腳放置。

（四）SENSE引腳

SENSE和SENSE+引腳的引線應(yīng)緊密排列，濾波電容應(yīng)靠近IC放置，并使用Kelvin連接確保準(zhǔn)確的電流檢測(cè)。

（五）INTVCC解耦電容

INTVCC解耦電容應(yīng)靠近IC，連接在INTVCC和功率接地引腳之間。

（六）敏感節(jié)點(diǎn)

開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW）、頂部柵極節(jié)點(diǎn)（TG）和升壓節(jié)點(diǎn)（BOOST）應(yīng)遠(yuǎn)離敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)。

（七）接地技術(shù)

使用改良的“星形接地”技術(shù)，在PCB板上設(shè)置一個(gè)低阻抗、大銅面積的中央接地點(diǎn)。

八、PCB布局調(diào)試

（一）電流監(jiān)測(cè)

使用DC - 50MHz電流探頭監(jiān)測(cè)電感中的電流，同步示波器到內(nèi)部振蕩器，并監(jiān)測(cè)實(shí)際輸出電壓。

（二）性能檢查

檢查在預(yù)期的工作電壓和電流范圍內(nèi)的性能，確保頻率在輸入電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，占