深入解析LTC3890-3：高性能雙路同步降壓DC/DC控制器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。今天我們要深入探討的是Linear Technology公司的LTC3890-3，一款高性能的雙路同步降壓DC/DC控制器，它在眾多應(yīng)用場景中都展現(xiàn)出了卓越的性能。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3890-3是一款驅(qū)動(dòng)全N溝道同步功率MOSFET級(jí)的高性能雙路降壓開關(guān)穩(wěn)壓器DC/DC控制器。它采用恒定頻率電流模式架構(gòu)，頻率可鎖相至850kHz，兩個(gè)控制器輸出級(jí)異相工作，有效降低了功率損耗和電源感應(yīng)噪聲。其無負(fù)載靜態(tài)電流僅50μA，能顯著延長電池供電系統(tǒng)的工作壽命。此外，它還具備寬輸入電壓范圍（4V - 60V）和寬輸出電壓范圍（0.8V - 24V），適用于多種應(yīng)用場景。

二、關(guān)鍵特性

1. 寬輸入輸出電壓范圍

• 輸入電壓：4V至60V（絕對(duì)最大65V），能適應(yīng)多種電源環(huán)境，包括不同的電池化學(xué)性質(zhì)和中間總線電壓。
• 輸出電壓：0.8V至24V，可滿足不同負(fù)載的電壓需求。

2. 低功耗設(shè)計(jì)

• 低靜態(tài)電流：單通道開啟時(shí)僅50μA，關(guān)機(jī)電流小于14μA，大大降低了系統(tǒng)功耗，延長了電池續(xù)航時(shí)間。

3. 靈活的電流檢測方式

支持(R_{SENSE})或DCR電流檢測，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇合適的檢測方式，在成本、功耗和精度之間進(jìn)行權(quán)衡。

4. 異相控制

兩個(gè)控制器輸出級(jí)異相工作，減少了輸入電容和電源感應(yīng)噪聲，降低了總RMS輸入電流，提高了效率，同時(shí)允許使用更便宜的輸入電容。

5. 可鎖相頻率和可編程固定頻率

• 鎖相頻率：75kHz至850kHz，可與外部時(shí)鐘同步，便于系統(tǒng)集成。
• 可編程固定頻率：50kHz至900kHz，可根據(jù)應(yīng)用需求靈活調(diào)整開關(guān)頻率。

6. 多種工作模式

支持連續(xù)、脈沖跳躍或低紋波Burst Mode?操作，可在輕載時(shí)根據(jù)需求選擇合適的工作模式，提高效率。

7. 其他特性

• 軟啟動(dòng)和跟蹤功能：可通過TRACK/SS引腳實(shí)現(xiàn)輸出電壓的軟啟動(dòng)或跟蹤，避免電壓過沖。
• Power Good輸出：可監(jiān)測輸出電壓，當(dāng)輸出電壓不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，PGOOD1引腳拉低。

三、引腳功能詳解

1. 控制與反饋引腳

• ITH1, ITH2：誤差放大器輸出和開關(guān)穩(wěn)壓器補(bǔ)償點(diǎn)，控制電流比較器的跳閘點(diǎn)。
• (V_{FB 1}) , (FB2)：接收外部電阻分壓器的反饋電壓，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。
• SENSE1+, (SENSE2+) 和 (SENSE1) , SENSE2–：差分電流比較器的輸入，用于電流檢測。

2. 頻率控制引腳

• FREQ：內(nèi)部VCO的頻率控制引腳，可通過連接GND、(INTV CC)或外接電阻來設(shè)置開關(guān)頻率。

3. 模式選擇引腳

• PLLIN/MODE：外部同步輸入和輕載模式選擇引腳，可選擇Burst Mode、脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)模式。

4. 使能與電源引腳

• RUN1, RUN2：數(shù)字運(yùn)行控制輸入，可獨(dú)立關(guān)閉或開啟每個(gè)控制器。
• (INTV _{CC})：內(nèi)部線性低壓差穩(wěn)壓器的輸出，為驅(qū)動(dòng)器和控制電路供電。
• (EXTV CC)：外部電源輸入，可在電壓高于4.7V時(shí)為(INTV CC)供電。

5. 驅(qū)動(dòng)與開關(guān)引腳

• BG1, BG2：底部N溝道MOSFET的高電流柵極驅(qū)動(dòng)。
• BOOST1, BOOST2：頂部浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的自舉電源。
• SW1, SW2：開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到電感。
• TG1, TG2：頂部N溝道MOSFET的高電流柵極驅(qū)動(dòng)。

6. 狀態(tài)監(jiān)測引腳

• PGOOD1：開漏邏輯輸出，用于監(jiān)測輸出電壓是否在設(shè)定范圍內(nèi)。
• TRACK/SS1, TRACK/SS2：外部跟蹤和軟啟動(dòng)輸入，可控制輸出電壓的啟動(dòng)過程。

四、工作原理

1. 主控制環(huán)路

LTC3890-3采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu)，兩個(gè)控制器通道異相工作。在正常工作時(shí)，外部頂部MOSFET由時(shí)鐘信號(hào)開啟，當(dāng)主電流比較器ICMP檢測到電感電流達(dá)到ITH引腳設(shè)定的閾值時(shí)，關(guān)閉頂部MOSFET。誤差放大器EA比較輸出電壓反饋信號(hào)(VFB)和內(nèi)部0.800V參考電壓，調(diào)整ITH引腳電壓，使平均電感電流匹配負(fù)載電流。

2. 電源管理

• (INTV{CC} / EXTV{CC}) 供電：當(dāng)(EXTV CC)電壓低于4.7V時(shí)，(VIN) LDO從(V{IN })為(INTV {CC})提供5.1V電源；當(dāng)(EXTV CC)電壓高于4.7V時(shí)，(EXTV CC) LDO開啟，從(EXTV CC)為(INTV _{CC})供電。
• 頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)：頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)由自舉電容(C{B})供電，當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，dropout檢測器會(huì)強(qiáng)制頂部MOSFET每隔十個(gè)周期關(guān)閉約十二分之一的時(shí)鐘周期，以允許(C{B})充電。

3. 關(guān)機(jī)與啟動(dòng)

• 關(guān)機(jī)：通過將RUN1或RUN2引腳拉低至1.15V以下，可關(guān)閉相應(yīng)的控制器；將兩個(gè)引腳都拉低至0.7V以下，可關(guān)閉整個(gè)LTC3890-3，此時(shí)靜態(tài)電流僅14μA。
• 啟動(dòng)：釋放RUN引腳，內(nèi)部電流會(huì)將其拉高以啟用控制器。TRACK/SS引腳可用于編程軟啟動(dòng)或跟蹤其他電源，通過連接外部電容或電阻分壓器來控制輸出電壓的啟動(dòng)過程。

4. 輕載電流操作

• Burst Mode操作：將PLLIN/MODE引腳拉低至0.8V以下，可選擇Burst Mode操作。在該模式下，電感電流不允許反向，輕載時(shí)效率較高，但輸出電壓紋波較大。
• 脈沖跳躍模式：將PLLIN/MODE引腳連接到1.2V至(INTV_{CC}-1.3 ~V)之間的電壓，可選擇脈沖跳躍模式。該模式在輕載時(shí)保持恒定頻率操作，輸出紋波和音頻噪聲較低。
• 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。該模式下電感電流允許反向，輸出電壓紋波較低，但輕載效率較低。

5. 頻率選擇與鎖相環(huán)

• 頻率選擇：通過FREQ引腳可選擇開關(guān)頻率，可連接GND、(INTV CC)或外接電阻來設(shè)置頻率。
• 鎖相環(huán)：LTC3890-3的鎖相環(huán)可將內(nèi)部振蕩器與外部時(shí)鐘同步，允許的外部時(shí)鐘頻率范圍為75kHz至850kHz。通過預(yù)偏置VCO輸入電壓，可實(shí)現(xiàn)快速鎖相。

6. Power Good功能

PGOOD1引腳連接到內(nèi)部N溝道MOSFET的開漏極，當(dāng)(V_{FB 1})引腳電壓不在0.8V參考電壓的±10%范圍內(nèi)或RUN1引腳為低電平時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，PGOOD1引腳拉低。

五、應(yīng)用信息

1. 電流檢測方案

• 低阻值電阻電流檢測：根據(jù)所需輸出電流選擇合適的(R{SENSE})電阻，計(jì)算公式為(R{SENSE }=frac{V{SENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I_{L}}{2}})。
• 電感DCR檢測：對(duì)于高負(fù)載電流應(yīng)用，可采用電感DCR檢測，通過選擇合適的外部濾波組件，使((R1||R2) ? C1)時(shí)間常數(shù)等于L/DCR時(shí)間常數(shù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流檢測。

2. 電感選擇

• 電感值計(jì)算：電感值與開關(guān)頻率和紋波電流相關(guān)，計(jì)算公式為(Delta I{L}=frac{1}{(f)(L)} V{OUT }left(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right))。一般建議將紋波電流設(shè)置為(Delta I{L}=0.3(I{MAX}))。
• 電感核心選擇：高效率轉(zhuǎn)換器通常選擇鐵氧體或鉬坡莫合金磁芯，以減少磁芯損耗。

3. 功率MOSFET和肖特基二極管選擇

• 功率MOSFET：選擇邏輯電平閾值MOSFET，考慮導(dǎo)通電阻(R_{DS(ON)})、米勒電容(CMILLER)、輸入電壓和最大輸出電流等因素。
• 肖特基二極管：可選的肖特基二極管D3和D4可防止底部MOSFET的體二極管導(dǎo)通，提高效率。

4. (C{IN })和(C{OUT })選擇

• (C_{IN })選擇：2相架構(gòu)可降低輸入電容的RMS紋波電流，根據(jù)公式(C{I N} Required I{RMS } approx frac{I{MAX }}{V{IN }}left[left(V{OUT }right)left(V{IN }-V_{OUT }right)right]^{1 / 2})選擇合適的電容。
• (C_{OUT })選擇：輸出電容的選擇主要考慮有效串聯(lián)電阻（ESR），輸出紋波可近似為(Delta V{OUT } approx Delta I{L}left(ESR+frac{1}{8 cdot f cdot C_{OUT }}right))。

5. 設(shè)置輸出電壓

通過外部反饋電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，公式為(V{OUT }=0.8 Vleft(1+frac{R{B}}{R{A}}right))。為提高頻率響應(yīng)，可使用前饋電容(C{FF})。

6. 跟蹤和軟啟動(dòng)

• 軟啟動(dòng)：通過在TRACK/SS引腳連接電容，利用內(nèi)部1μA電流源充電，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)時(shí)間約為(t{S S}=C{S S} cdot frac{0.8 V}{1 mu A})。
• 跟蹤：通過連接電阻分壓器，可使輸出電壓跟蹤其他電源。

7. (INTV _{C C})調(diào)節(jié)器

LTC3890-3有兩個(gè)內(nèi)部P溝道低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），可根據(jù)(EXTV CC)引腳的連接情況為(INTV CC)供電。使用(EXTV CC) LDO可提高效率，降低結(jié)溫。

8. 頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)電源

外部自舉電容(C{B})為頂部MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓，外部二極管(D{B})應(yīng)選擇低泄漏、快速恢復(fù)的肖特基二極管或硅二極管。

9. 故障條件處理

• 電流限制：LTC3890-3的峰值電流模式控制架構(gòu)可在輸出短路時(shí)限制電感電流，通過最小導(dǎo)通時(shí)間(t_{ON(MIN)})和輸入電壓、電感值計(jì)算短路紋波電流和平均短路電流。
• 電流折返：在短路條件下，LTC3890-3會(huì)進(jìn)行周期跳躍，以限制短路電流。

10. 鎖相環(huán)和頻率同步

LTC3890-3的鎖相環(huán)可將內(nèi)部振蕩器與外部時(shí)鐘同步，通過FREQ引腳預(yù)偏置VCO輸入電壓，可實(shí)現(xiàn)快速鎖相。

11. 最小導(dǎo)通時(shí)間考慮

最小導(dǎo)通時(shí)間(t{ON(MIN)})約為90ns，在低占空比應(yīng)用中需確保(t{ON(MIN)}{OUT}}{V{IN}(f)})，否則控制器會(huì)開始跳周期，導(dǎo)致輸出電壓紋波和電流增加。

12. 效率考慮

效率主要受IC Vin電流、(INTV CC)調(diào)節(jié)器電流、(I^{2} R)損耗和頂部MOSFET過渡損耗等因素影響。通過合理選擇組件和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，可提高效率。

13. 瞬態(tài)響應(yīng)檢查

通過觀察負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)，可使用ITH引腳作為測試點(diǎn)，優(yōu)化控制環(huán)路行為。

六、設(shè)計(jì)示例

以一個(gè)通道為例，假設(shè)(V{IN}=) 12V（標(biāo)稱），(V{IN }=22 ~V)（最大），(V{OUT }=3.3 ~V)，(I{MAX }=5 ~A)，(V_{SENSE(MAX) }=75 mV)，(f=350 kHz)。

• 電感選擇：根據(jù)30%紋波電流假設(shè)，選擇4.7μH電感，可產(chǎn)生29%紋波電流。
• (R_{SENSE })電阻計(jì)算：使用最小電流檢測閾值43mV，計(jì)算得到(R_{SENSE} leq frac{64 mV}{5.73 A} approx 0.01 Omega)。
• 輸出電壓設(shè)置：選擇(R{A}=25 k)和(R{B}=78.7 k)，得到輸出電壓3.32V。
• 功率MOSFET功耗估算：選擇Fairchild FDS6982S雙MOSFET，估算頂部MOSFET功耗為331mW。
• 短路電流計(jì)算：短路時(shí)的折返電流為3.18A，底部MOSFET功耗為250mW。
• 電容選擇：選擇(C_{IN })的RMS電流額定值至少為3A，(Cout)的ESR為0.02Ω，以降低輸出紋波。

七、PCB布局要點(diǎn)

1. 元件布局

• 頂部N溝道MOSFET應(yīng)靠近放置，共用(C_{IN})的漏極連接，避免輸入去耦分離。
• 信號(hào)地和電源地應(yīng)分開，IC信號(hào)地和(CINTVCC)的接地返回應(yīng)連接到(COUT)的負(fù)端。

2. 反饋連接

(LTC3890-3 VFB)引腳的電阻分壓器應(yīng)連接到(C_{OUT })的正端，避免連接到高電流輸入饋線。

3. 電流檢測

(SENSE-)和(SENSE ^{+})引腳的引線應(yīng)緊密布線，濾波電容應(yīng)靠近IC放置，采用Kelvin連接確保準(zhǔn)確的電流檢測。

4. 去耦電容

(INTV CC)去耦電容應(yīng)靠近IC連接，在(INTV CC)和電源地引腳之間放置一個(gè)1μF陶瓷電容，可改善噪聲性能。

5. 信號(hào)隔離

開關(guān)節(jié)點(diǎn)、頂部柵極節(jié)點(diǎn)和升壓節(jié)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)，減少干擾。

6. 接地方式

采用改進(jìn)的星形接地技術(shù)，在PCB板上設(shè)置低阻抗、大面積的中央接地點(diǎn)。

八、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括高效雙8.5V/3.3V降壓轉(zhuǎn)換器、高效8.5V雙相降壓轉(zhuǎn)換器、高效雙12V/5V降壓轉(zhuǎn)換器等，為工程師提供了實(shí)際應(yīng)用的參考。

九、相關(guān)部件

文檔還介紹了一些相關(guān)部件，如LTC3891、LTC3857/LTC3857-1、LTC3858/LTC3858-1等，為工程師在不同應(yīng)用場景下的選擇提供了更多參考。

LTC3890-3以其豐富的特性和靈活的應(yīng)用方式，為電子工程師在電源管理設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。通過深入了解其工作原理、應(yīng)用信息和布局要點(diǎn)，工程師可以更好地發(fā)揮其性能，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過類似電源管理芯片的使用問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。