深入剖析LTC3569：多功能三通道降壓調(diào)節(jié)器的卓越性能與應(yīng)用

一、引言

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，對于能夠高效、靈活地提供多電壓輸出的解決方案需求日益增長。LTC3569作為一款具有代表性的三通道降壓調(diào)節(jié)器，憑借其獨特的特性和廣泛的應(yīng)用場景，成為了眾多工程師的首選。本文將深入探討LTC3569的特點、工作原理、應(yīng)用設(shè)計等方面，幫助電子工程師更好地了解和使用這款產(chǎn)品。

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二、LTC3569概述

2.1 產(chǎn)品描述

LTC3569是一款集成了三個單芯片同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的器件，專為中功率應(yīng)用而設(shè)計。它的輸入電壓范圍為2.5V至5.5V，工作頻率可在1MHz至3MHz之間調(diào)節(jié)，也可固定為2.25MHz，這使得它能夠使用小型、低成本的電容和電感。三個輸出電壓可通過對EN引腳進行最多15次的切換來獨立編程，每次切換可將800mV的反饋參考電壓降低25mV。其中，第一個降壓調(diào)節(jié)器可提供高達1200mA的負載電流，另外兩個降壓調(diào)節(jié)器各提供600mA的電流。

2.2 主要特性

• 多通道獨立調(diào)節(jié)：三個獨立的電流模式降壓DC/DC調(diào)節(jié)器，分別為1.2A和兩個600mA輸出，可滿足不同負載的需求。
• 可編程參考電壓：單引腳可編程VFB伺服電壓，范圍從800mV降至425mV，以25mV為步長，提供了靈活的輸出電壓設(shè)置。
• 靈活的工作模式：支持脈沖跳過或Burst Mode?操作，可根據(jù)負載情況在效率和輸出紋波之間進行權(quán)衡。
• 可同步性：工作頻率可在1.2MHz至3MHz之間同步，方便與外部時鐘源配合使用。
• 寬輸入電壓范圍：2.5V至5.5V的輸入電壓范圍，適用于多種電源供電場景。
• 內(nèi)部補償：所有調(diào)節(jié)器均采用內(nèi)部補償，簡化了設(shè)計過程。
• 保護功能：具備過溫、短路保護功能，以及PGOOD輸出標志，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 小封裝：提供3mm × 3mm、3mm × 4mm 20引腳QFN和熱增強型TSSOP FE - 16封裝，節(jié)省了電路板空間。

三、工作原理

3.1 主控制環(huán)路

在正常工作時，每個時鐘周期開始時，頂部功率開關(guān)（P溝道MOSFET）導通，電感充電，電感電流上升。當電感電流達到由內(nèi)部補償誤差放大器輸出ITH減去斜率補償斜坡偏移量時，電流比較器（PCOMP）關(guān)閉P溝道開關(guān)，打開N溝道同步整流器。電感中存儲的能量繼續(xù)通過底部開關(guān)（N溝道）流向負載，直到電感電流接近零或下一個時鐘周期開始。如果電感電流接近零，N比較器（NCOMP）會關(guān)閉N溝道開關(guān)，以防止輸出電容放電。當下一個時鐘上升沿到來時，P溝道開關(guān)再次導通，循環(huán)重復。

3.2 低電流操作

在輕負載情況下，F(xiàn)B電壓可能會高于參考電壓，此時誤差放大器會使控制環(huán)路進入睡眠狀態(tài)，P溝道開關(guān)立即關(guān)閉。電感電流通過N溝道開關(guān)放電，直到電感電流接近零，此時SW節(jié)點變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出電容為負載供電。當負載使輸出電容放電，反饋電壓下降時，誤差放大器喚醒降壓調(diào)節(jié)器，重新啟動主控制環(huán)路。LTC3569提供了兩種低電流操作模式：Burst Mode和脈沖跳過模式。

• Burst Mode：在低輸出電流時可優(yōu)化效率，但會導致輸出電壓紋波較高。在這種模式下，電感電流達到固定值后，P溝道開關(guān)會進行比較，使輸出電壓高于調(diào)節(jié)電壓，從而延長睡眠周期，減少開關(guān)損耗和平均靜態(tài)電流。
• 脈沖跳過模式：適用于對輸出電壓紋波要求較低的情況。在該模式下，P溝道峰值電流與誤差放大器輸出確定的值進行比較，然后P溝道關(guān)閉，N溝道開關(guān)打開，直到下一個周期開始或N溝道比較器關(guān)閉N溝道開關(guān)。如果NCOMP觸發(fā)，SW節(jié)點變?yōu)楦咦钁B(tài)，降壓調(diào)節(jié)器不連續(xù)工作。

3.3 降壓操作

當輸入電源電壓接近輸出電壓時，占空比會自動增加到100%，進入降壓狀態(tài)。此時，P溝道開關(guān)持續(xù)導通，輸出電壓等于輸入電壓減去內(nèi)部P溝道開關(guān)和電感上的電壓降。

3.4 低電源操作

LTC3569內(nèi)置欠壓鎖定電路，當輸入電壓低于2.5V時，會關(guān)閉器件，以防止不穩(wěn)定操作。該功能不會重置參考電壓DAC。

3.5 從功率級

將兩個600mA調(diào)節(jié)器中的一個的FB引腳連接到SVIN時，該調(diào)節(jié)器的控制電路將被禁用，其開關(guān)引腳將跟隨主調(diào)節(jié)器，從而實現(xiàn)兩個調(diào)節(jié)器功率級的并聯(lián)，以支持更高的電流水平。

3.6 關(guān)機和軟啟動

將ENx引腳拉低并等待tOFF延遲期結(jié)束后，主控制環(huán)路將關(guān)閉。在關(guān)機但非從模式下，一個2k電阻會將輸出電容放電。當所有三個調(diào)節(jié)器都關(guān)閉時，LTC3569進入低功耗關(guān)機狀態(tài)，所有功能禁用，靜態(tài)電流降至1μA以下。任何降壓調(diào)節(jié)器首次開啟或熱關(guān)斷后，都會啟用軟啟動功能。軟啟動以約0.75V/ms的速率對編程的內(nèi)部參考進行斜坡上升，輸出電壓在軟啟動期間跟隨內(nèi)部參考電壓斜坡。在軟啟動期間，LTC3569會強制進入脈沖跳過模式，直到PGOOD標志表明輸出電壓接近編程的調(diào)節(jié)電壓。一旦PGOOD標志觸發(fā)，如果MODE引腳為高，則調(diào)節(jié)器以Burst Mode運行，否則繼續(xù)以脈沖跳過模式運行。

3.7 熱保護

如果芯片結(jié)溫超過150°C，熱關(guān)斷電路將禁用LTC3569的所有功能，SW節(jié)點將通過2k下拉電阻拉低。當芯片溫度降至125°C以下時，LTC3569將重新啟動，且不改變編程的參考電壓DAC，但熱關(guān)斷退出時會啟動軟啟動。

3.8 PGOOD引腳

PGOOD引腳是一個開漏輸出，當所有啟用的調(diào)節(jié)器的輸出電壓上升到其編程水平的92%以內(nèi)時，該引腳被釋放。三個降壓調(diào)節(jié)器各有獨立的帶遲滯的PGOOD比較器。如果一個啟用的調(diào)節(jié)器的輸出電壓降至編程水平的88%以下，PGOOD標志將下降。持續(xù)時間小于2μs的輸出電壓瞬態(tài)下降將被屏蔽，不會在PGOOD引腳報告。如果PGOOD被拉高到高于SVIN的電壓，PGOOD引腳的開漏驅(qū)動器將被禁用。

3.9 參考編程

每個調(diào)節(jié)器的滿量程參考電壓為0.8V，可通過對相應(yīng)的EN引腳進行最多15次切換，以 - 25mV為步長將參考電壓從800mV降至425mV。EN引腳的最小脈沖寬度為60ns，但不超過55μs，因為EN引腳保持高電平約125μs（tEN）后，切換計數(shù)器會超時。tEN超時后，計數(shù)器狀態(tài)被鎖存并發(fā)送到參考電壓DAC，計數(shù)器重置為滿量程。如果EN引腳再次開始切換，計數(shù)器在每個下降沿遞減。如果EN引腳切換超過15次，計數(shù)器將固定在最低DAC參考水平。要將DAC重新編程為滿量程，需將EN引腳拉低170μs（tOFF）以關(guān)閉降壓調(diào)節(jié)器，然后將EN拉高一次，降壓調(diào)節(jié)器將啟動軟啟動，VREF斜坡上升到滿量程值。

四、應(yīng)用信息

4.1 工作頻率選擇

工作頻率的選擇需要在效率和元件尺寸之間進行權(quán)衡。高頻操作允許使用較小的電感和電容值，但會增加內(nèi)部柵極電荷損耗；低頻操作可提高效率，但需要更大的電感值和/或電容來保持低輸出紋波電壓。LTC3569的工作頻率fCLK由連接在RT引腳和地之間的外部電阻決定，其與RT的關(guān)系可通過公式 RT = (5.1855 ? 10?11) ? (fCLK)–1.027計算，也可參考相關(guān)圖表進行選擇。

4.2 最小導通時間和占空比

最大可用工作頻率受最小導通時間和所需占空比的限制。在降壓調(diào)節(jié)器中，占空比DC = VOUT/VIN = tON/(tOFF + tON)。為避免最小導通時間問題，建議調(diào)整工作頻率，使最小占空比脈沖寬度保持在80ns以上。最大時鐘頻率fCLKMAX可根據(jù)公式 fCLKMAX = (VOUT/VIN(MAX))/tMIN - ON進行選擇。

4.3 模式選擇和頻率同步

MODE引腳是一個多功能引腳，用于模式選擇和頻率同步。將該引腳連接到SVIN可啟用Burst Mode操作，以在低電流時提供最佳效率，但會導致輸出電壓紋波較高；將其連接到地則選擇脈沖跳過操作，可提供最低的輸出電壓和電流紋波，但低電流效率較低。將外部時鐘源連接到MODE引腳可使LTC3569與外部時鐘信號同步，此時應(yīng)選擇RT引腳電阻，使內(nèi)部振蕩器頻率比外部時鐘頻率低20%，以確保足夠的斜率補償。同步期間，模式設(shè)置為脈沖跳過。外部時鐘源的最小高低脈沖寬度約為100ns。

4.4 設(shè)置輸出電壓

LTC3569為每個反饋引腳開發(fā)獨立的內(nèi)部參考電壓，可通過切換相應(yīng)的EN引腳將參考電壓從0.8V降至0.425V，以 - 25mV為增量。輸出電壓由電阻分壓器根據(jù)公式 VOUT = VREF(1 + R1/R2)設(shè)置。為提高效率，應(yīng)使電阻中的電流保持較?。?5μA），但電流過小可能會導致雜散電容引起噪聲問題并降低誤差放大器環(huán)路的相位裕度。為改善頻率響應(yīng)，可在反饋電阻（R1、R3和R5）上跨接約20pF的前饋電容CF。同時，應(yīng)注意將每個FB線路遠離噪聲源，如電感或SW線路，并去除FB PCB線路下方的接地平面，以限制這些引腳與地之間的雜散電容。

4.5 電感選擇

電感值對紋波電流有直接影響，電感紋波電流?IL與電感值成反比，與VIN或VOUT成正比。合理的紋波電流設(shè)置起點為?IL = 0.3?IOUT(MAX)，最大紋波電流?IL發(fā)生在最大輸入電壓時。為確保紋波電流低于指定最大值，可根據(jù)公式 L = VOUT/(fCLK??IL)?(1 – VOUT/VIN(MAX))選擇電感值。電感值還會影響B(tài)urst Mode操作，較低的電感值會導致較高的紋波電流，使低電流操作的過渡在較低負載電流時發(fā)生，從而在低電流操作的較高范圍內(nèi)導致效率下降。選擇電感時，其直流電流額定值應(yīng)至少為最大負載電流的1.5倍，以確保電感核心在正常操作時不會飽和。若可能出現(xiàn)輸出短路情況，應(yīng)選擇能夠承受調(diào)節(jié)器指定最大峰值電流的電感。為最大化效率，應(yīng)選擇直流電阻較低的電感。

4.6 輸入/輸出電容選擇

建議在開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出和輸入電源引腳使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容，如X5R或X7R陶瓷電容，因為它們在較寬的電壓和溫度范圍內(nèi)能保持電容值。為保證良好的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，輸入和輸出電容在溫度和偏置電壓變化時應(yīng)至少保持額定電容值的50%。在連續(xù)模式下，輸入電容的最大紋波電流可通過公式 CIN required IRMS ≈ IOUT(MAX)(VOUT(VIN – VOUT))1/2/VIN近似計算，輸出短路時，輸入電容的紋波電流約為 CIN required IRMS ≈ IPK /√3。選擇輸出電容時，需要考慮負載電壓下降和輸出電容ESR對紋波電壓的影響。負載電壓下降可根據(jù)公式 COUT ≈ 2.5??IOUT/(fCLK ?VDROOP)估算，輸出電壓紋波可根據(jù)公式 ?VOUT ≈ ?IL(ESR + 1/(8?fCLK?COUT))計算。

4.7 印刷電路板布局考慮

在設(shè)計LTC3569的PCB布局時，需要考慮以下三個主要因素：

• 開關(guān)噪聲耦合：將電感和輸入去耦電容盡可能靠近LTC3569放置，以減少開關(guān)噪聲對FB引腳和RT引腳的耦合，以及輻射電磁感應(yīng)（EMI）。在LTC3569的高頻開關(guān)節(jié)點線路下方放置連續(xù)的接地平面，可減輕EMI，因為高頻渦流會沿著接地平面循環(huán)。將輸入去耦電容靠近相應(yīng)的PVIN/PGND引腳放置，可直接減小接地回路的面積和電感。在封裝接地背面下方直接放置一組過孔，連接到內(nèi)部接地平面，將接地平面放置在PCB的第二層，以最小化寄生電感。
• 雜散電容：切割FB引腳和RT引腳線路下方的接地平面，以減少這些引腳與地之間的雜散電容。但在切割接地平面的地方，應(yīng)跨接額外的去耦電容，為高頻接地返回電流提供路徑。
• 從功率級的雜散阻抗：在使用從功率級操作時，應(yīng)盡量減小從開關(guān)到主開關(guān)的線路長度，以將從功率器件的雜散電感降至最低，確保從功率器件的電感電流份額不超過主器件，并控制從器件中的電流密度。電感應(yīng)靠近主SW引腳放置，以最小化雜散阻抗，使主器件能夠控制電感電流。

4.8 熱考慮

在大多數(shù)應(yīng)用中，由于LTC3569的高效率，其散熱較少。但在高溫環(huán)境、低電源電壓和高占空比的應(yīng)用中，如降壓狀態(tài)下，散熱可能會超過器件的最大結(jié)溫。為防止LTC3569超過最大結(jié)溫，需要進行熱分析。溫度上升可根據(jù)公式 tRISE = PD? θJA計算，其中PD為調(diào)節(jié)器的功耗，θJA為芯片結(jié)到環(huán)境溫度的熱阻。結(jié)溫TJ = tRISE + TA，其中TA為環(huán)境溫度。

五、設(shè)計示例

5.1 示例1：從鋰離子電池獲得2.5V、1.8V和1.2V輸出

在便攜式應(yīng)用中，使用LTC3569從鋰離子電池獲取2.5V、1.8V和1.2V輸出。電池提供的SVIN范圍為2.9V至4.2V，負載分別需要2.5V、1.8V和1.2V，最大電流分別為800mA、400mA和400mA，其中后兩個負載在待機時需要1mA電流。由于兩個負載需要低電流操作，選擇Burst Mode。根據(jù)最小導通時間要求，最大時鐘頻率為3.57MHz，為簡化電路板布局，選擇固定的2.25MHz內(nèi)部頻率。

• 電感選擇：計算30%紋波電流下的電感值，L1 = 1.9μH，L2 = 3.8μH，L3 = 3.1μH，選擇最接近的標準值L1 = 2.2μH，L2 = L3 = 3.3μH。
• 輸出電容選擇：根據(jù)5%負載下降計算輸出電容值，COUT1 = 7.1μF，COUT2 = 4.9μF，COUT3 = 7.4μF，選擇最接近的標準值COUT1 = 10μF，COUT2 = 4.7μF，COUT3 = 10μF。選擇22μF的輸入電容，因為鋰離子電池的輸出阻抗足夠低。
• 輸出電壓設(shè)置：不切換EN引腳時，LTC3569為每個反饋引腳開發(fā)0.8V的參考電壓，通過電阻分壓器設(shè)置輸出電壓。為改善頻率響應(yīng)，使用10pF和20pF的前饋電容。

5.2 示例2：雙降壓調(diào)節(jié)器，1.8V/1.8A和1.5V/600mA

將LTC3569配置為從2.5V至5.5V的通用電源提供1.8V和1.5V的固定電壓輸出，負載在待機模式下電流小于1mA，1.8V電源的最大電流為1.8A，1.5V電源的最大電流為600mA。選擇固定的2.25MHz內(nèi)部時鐘頻率，滿足最小導通時間要求，選擇Burst Mode以在低待機電流時實現(xiàn)高效率。

• 電感選擇：計算30%紋波電流下的電感值，L1 = 1.0μH，L2 = 2.2μH。
• 輸出電容選擇：計算輸出電容值，COUT1 = 22μF，COUT2 = 8.9μF，選擇22μF的輸入電容以支持最大紋波電流1.2A，并在SVIN和SGND之間放置0.1μF的低ESR電容。
• 電阻選擇：選擇最接近的標準1%電阻，以獲得正確的輸出電壓，同時在反饋電阻上跨接20pF的前饋電容。

5.3 示例3：雙可編程降壓調(diào)節(jié)器，軟啟動到待機（1.2V）

考慮兩個降壓調(diào)節(jié)器從2.5V至5.5V的非穩(wěn)壓電源工作，需要生成兩個獨立可編程的電源，在待機時為1.2V，激活時為1.