LT8471：雙路多拓?fù)?a href="http://www.makelele.cn/tags/dc/dc/" target="_blank">DC/DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換和管理的關(guān)鍵組件。Linear Technology的LT8471作為一款雙路多拓?fù)銬C/DC轉(zhuǎn)換器，憑借其豐富的功能和出色的性能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

LT8471包含兩個(gè)內(nèi)部2A、50V開關(guān)和一個(gè)額外的500mA開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)降壓和反相轉(zhuǎn)換。每個(gè)2A通道都能獨(dú)立配置為降壓、升壓、SEPIC、反激或反相轉(zhuǎn)換器，能夠從單個(gè)輸入軌生成正輸出和負(fù)輸出，非常適合許多本地電源設(shè)計(jì)。

二、產(chǎn)品特性

（一）強(qiáng)大的開關(guān)通道

• 具備雙2A和一個(gè)500mA、50V內(nèi)部電源開關(guān)通道。2A主通道可配置為多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC/DC轉(zhuǎn)換器，如降壓、升壓、SEPIC、ZETA、反激或反相轉(zhuǎn)換器。500mA的Skyhook通道能高效生成升壓后的輸入電壓。

  （二）寬輸入電壓范圍

  輸入電壓范圍為2.6V至50V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。

  （三）可編程功能

• UVLO和OVLO：通過(guò)OV/UV引腳可進(jìn)行可編程欠壓鎖定（UVLO）和過(guò)壓鎖定（OVLO）。
• 軟啟動(dòng)：每個(gè)通道的軟啟動(dòng)功能都可進(jìn)行編程，有效限制啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。

  （四）頻率控制

• 固定頻率PWM，可通過(guò)RT引腳設(shè)置或同步到外部時(shí)鐘。反相開關(guān)可減少輸入紋波，提高電源的穩(wěn)定性。

  （五）多種封裝形式

  提供20引腳TSSOP和28引腳QFN封裝，方便不同的設(shè)計(jì)需求。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

（一）信號(hào)鏈雙軌電源

為信號(hào)鏈提供穩(wěn)定的雙軌電源，確保信號(hào)處理的準(zhǔn)確性和可靠性。

（二）多種拓?fù)浣M合

可實(shí)現(xiàn)降壓/降壓、降壓/升壓、升壓/升壓、升壓/反相、反相/反相、降壓/反相等多種拓?fù)浣M合，滿足不同應(yīng)用的電源需求。

四、工作原理

（一）主通道

兩個(gè)主通道可獨(dú)立配置為不同的DC/DC轉(zhuǎn)換器，采用恒定頻率、電流模式控制方案來(lái)提供線路和負(fù)載調(diào)節(jié)。通道1的時(shí)鐘與內(nèi)部振蕩器或SYNC引腳同相，通道2的時(shí)鐘與通道1的時(shí)鐘大約相差180°，以減少瞬態(tài)開關(guān)尖峰。在每個(gè)時(shí)鐘相位開始時(shí)，SR鎖存器置位，打開內(nèi)部電源開關(guān)，當(dāng)電流達(dá)到由VC1/VC2電壓確定的水平時(shí)，開關(guān)關(guān)閉。誤差放大器通過(guò)外部電阻分壓器測(cè)量輸出電壓，并調(diào)節(jié)VC1/VC2電壓，從而控制輸出電流。

（二）Skyhook通道

當(dāng)任一通道配置為降壓、ZETA或單電感反相轉(zhuǎn)換器時(shí)，Skyhook通道提供升壓后的電壓，為NPN功率開關(guān)提供基極電流。Skyhook是一個(gè)恒定頻率、電壓模式升壓轉(zhuǎn)換器，包含一個(gè)集成在芯片上的肖特基二極管，其輸出SHOUT被調(diào)節(jié)到比C2引腳電壓高約4.25V。如果不需要Skyhook通道，可將C3引腳接地以減少電流消耗。

（三）啟動(dòng)操作

• OV/UV引腳監(jiān)測(cè)：內(nèi)部電壓參考監(jiān)測(cè)OV/UV引腳電壓，提供精確的開啟電壓范圍，可通過(guò)外部電阻或電阻分壓器實(shí)現(xiàn)可編程的欠壓和過(guò)壓鎖定功能。
• 軟啟動(dòng)電路：為主要通道的開關(guān)電流和Skyhook通道的占空比提供逐漸上升的過(guò)程。啟動(dòng)時(shí)，外部SS電容先放電，然后內(nèi)部250k電阻將SS引腳拉至約2.15V，通過(guò)連接外部電容可設(shè)置引腳的電壓上升速率。
• 頻率折返：當(dāng)相應(yīng)的FB引腳電壓低于某些閾值時(shí)，主通道的開關(guān)頻率會(huì)折返2、4或8倍，減少最小占空比，便于在啟動(dòng)時(shí)更好地控制開關(guān)電流。

（四）熱關(guān)斷操作

當(dāng)芯片溫度超過(guò)約164°C時(shí)，熱關(guān)斷電路會(huì)觸發(fā)，SR21和SR22鎖存器置位。當(dāng)溫度降至約162.5°C以下時(shí)，將啟動(dòng)完整的軟啟動(dòng)周期，保護(hù)功率開關(guān)和外部組件。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）輸入電源要求

• 低側(cè)配置：E引腳通常接地，C引腳切換，相應(yīng)通道的VIN必須在2.6V至40V范圍內(nèi)工作。
• 高側(cè)配置：C引腳連接到正直流電壓源，E引腳切換，通道的VIN引腳應(yīng)比相應(yīng)的C引腳至少高2.2V，以提供足夠的驅(qū)動(dòng)。VIN可在高于地50V、高于相應(yīng)E引腳電壓60V、高于相應(yīng)C引腳電壓40V的范圍內(nèi)工作。

  （二）開關(guān)配置和Skyhook調(diào)節(jié)器

• 主通道NPN功率開關(guān)可采用低側(cè)或高側(cè)配置。低側(cè)連接適用于升壓、SEPIC、反激和雙電感反相配置；高側(cè)連接適用于降壓、ZETA和單電感反相配置。
• Skyhook升壓調(diào)節(jié)器可在需要支持高側(cè)開關(guān)拓?fù)鋾r(shí)提供額外的VIN電壓，其輸出SHOUT被調(diào)節(jié)到比C2引腳電壓高約4.25V。

  （三）內(nèi)部欠壓鎖定

  LT8471會(huì)監(jiān)測(cè)VIN1和VIN2的電源電壓，當(dāng)檢測(cè)到電壓過(guò)低時(shí)，相應(yīng)的功率開關(guān)會(huì)停用，軟啟動(dòng)電容會(huì)放電。當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，功率開關(guān)會(huì)重新啟用，軟啟動(dòng)電容開始充電。

  （四）振蕩器和時(shí)鐘同步

• 內(nèi)部自由運(yùn)行振蕩器可設(shè)置LT8471的工作頻率，通過(guò)RT引腳到地的電阻來(lái)確定。也可將工作頻率同步到外部時(shí)鐘源，只需將數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)輸入SYNC引腳。SYNC信號(hào)的占空比必須在35%至65%之間，頻率應(yīng)在100kHz至2MHz范圍內(nèi)，且不應(yīng)低于自由運(yùn)行振蕩器頻率的25%。

  （五）軟啟動(dòng)

  通過(guò)在SS1和SS2引腳連接外部電容（通常為100nF至1μF），可限制啟動(dòng)時(shí)的峰值開關(guān)電流。在關(guān)機(jī)、內(nèi)部欠壓鎖定或熱鎖定時(shí)，軟啟動(dòng)電容會(huì)自動(dòng)放電，確保每次芯片重新激活時(shí)都能進(jìn)行軟啟動(dòng)。

  （六）關(guān)機(jī)

  OV/UV引腳用于啟用和禁用芯片。當(dāng)OV/UV電壓低于1.215V（典型值）時(shí)，開關(guān)活動(dòng)被禁用；當(dāng)?shù)陀?00mV時(shí)，芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，靜態(tài)電流非常低；電壓在1.215V至1.37V之間時(shí)，芯片正常工作。

  （七）輸出電壓設(shè)置

  通過(guò)在輸出和FB引腳之間連接電阻分壓器來(lái)設(shè)置輸出電壓，可根據(jù)公式 (R{A}=R{B} cdotleft(frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right)) 選擇合適的電阻值。

  （八）啟動(dòng)順序

  通過(guò)將一個(gè)主通道的PG引腳連接到另一個(gè)通道的SS引腳，可實(shí)現(xiàn)輸出的啟動(dòng)順序控制。例如，將PG1連接到SS2可使通道1的輸出在啟動(dòng)時(shí)先于通道2的輸出。

  （九）功率開關(guān)占空比

  為了保持環(huán)路穩(wěn)定性并向負(fù)載提供足夠的電流，內(nèi)部功率開關(guān)的占空比不能達(dá)到100%。最大允許占空比由公式 (D C{MAX }=left(frac{T{P}-MIN{(OFF) TIME }}{T{P}}right) cdot 100 %) 確定，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的占空比計(jì)算公式也有所不同。

  （十）電感選擇

• 一般準(zhǔn)則：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，以提高效率；電感應(yīng)具有低DCR，以減少 (I^{2}R) 損耗，并能承受峰值電感電流而不飽和。
• 最小電感：要滿足提供足夠負(fù)載電流和避免次諧波振蕩的要求，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最小電感計(jì)算公式不同。
• 最大電感：過(guò)大的電感會(huì)導(dǎo)致電流紋波難以被電流比較器區(qū)分，從而引起占空比抖動(dòng)和調(diào)節(jié)不良，可根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算最大電感。
• 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(dǎo)致效率損失。

  （十一）電容選擇

• 輸出端應(yīng)使用低ESR電容，以最小化輸出紋波電壓，多層陶瓷電容是不錯(cuò)的選擇。輸入去耦電容也應(yīng)使用低ESR電容，并盡可能靠近LT8471放置。

  （十二）補(bǔ)償理論

  主通道需要進(jìn)行補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高效的運(yùn)行，使用兩個(gè)反饋回路，其中電壓回路需要補(bǔ)償。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的波特圖分析可分析和調(diào)整電壓反饋回路，計(jì)算DC增益、極點(diǎn)和零點(diǎn)等參數(shù)。

  （十三）二極管選擇

  建議使用肖特基二極管，其正向電壓降小、開關(guān)速度快。每個(gè)主通道需要一個(gè)外部二極管作為第二個(gè)開關(guān)，根據(jù)平均正向電流選擇合適的二極管，并考慮其寄生電容和反向泄漏電流。

  （十四）Skyhook配置要求

  Skyhook為高側(cè)配置的通道提供升壓后的VIN電壓，SHOUT輸出被調(diào)節(jié)到比C2引腳電壓高約4.25V。如果不需要Skyhook通道，可將C3引腳接地以減少VIN1的電流消耗。

  （十五）Skyhook電容和二極管選擇

• 輸出端應(yīng)使用低ESR電容，以最小化電壓紋波，可根據(jù)需要調(diào)整電容值以改善穩(wěn)定性。
• 可連接外部肖特基二極管以提高高負(fù)載電流時(shí)的性能，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}) 估算。

  （十六）Skyhook電感選擇

• 選擇電感時(shí)要滿足提供足夠負(fù)載電流、避免功率開關(guān)電流過(guò)沖和保持良好環(huán)路穩(wěn)定性的要求，可根據(jù)不同條件計(jì)算最小電感。
• 電感的飽和電流應(yīng)不低于500mA，以避免電感飽和。

  （十七）Skyhook補(bǔ)償

  Skyhook內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)電感和輸出電容調(diào)整環(huán)路穩(wěn)定性。一般情況下，使用15μH的電感和0.47μF的輸出電容可獲得良好的穩(wěn)定性，可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

  （十八）熱考慮

  為了使LT8471能夠輸出全部功率，需要提供良好的散熱路徑。可利用IC底部的散熱墊，通過(guò)在印刷電路板上設(shè)置多個(gè)過(guò)孔將熱量傳導(dǎo)到盡可能大的銅平面上。

  （十九）功率和熱計(jì)算

  功率損耗主要來(lái)自開關(guān) (I^{2}R) 損耗、開關(guān)動(dòng)態(tài)損耗、NPN基極驅(qū)動(dòng)DC損耗和雜散輸入電流損耗?？筛鶕?jù)相應(yīng)公式計(jì)算功率損耗和芯片結(jié)溫。

  （二十）布局指南

• 布局時(shí)要注意減少輻射和傳導(dǎo)噪聲，高速開關(guān)電流路徑應(yīng)盡可能短，每個(gè)通道的高速開關(guān)電流環(huán)路面積應(yīng)最小化。
• 使用接地平面可防止層間耦合和整體噪聲，但開關(guān)引腳連接的平面下不應(yīng)有接地平面，以減小開關(guān)引腳的雜散電容。
• 電路板布局對(duì)熱阻有顯著影響，應(yīng)將暴露的封裝接地墊焊接到電路板上，并提供足夠的銅面積和多個(gè)過(guò)孔以改善散熱。

六、典型應(yīng)用

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如寬輸入范圍降壓轉(zhuǎn)換器與升壓轉(zhuǎn)換器、跟蹤±12V電源、寬輸入范圍±5V輸出轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器與降壓轉(zhuǎn)換器等。這些應(yīng)用電路展示了LT8471在不同場(chǎng)景下的性能和穩(wěn)定性，為工程師的設(shè)計(jì)提供了參考。

七、總結(jié)

LT8471作為一款功能強(qiáng)大的雙路多拓?fù)銬C/DC轉(zhuǎn)換器，具有豐富的特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮輸入電源要求、開關(guān)配置、電感和電容選擇、補(bǔ)償?shù)榷鄠€(gè)方面，以確保轉(zhuǎn)換器的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，合理的布局和散熱設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用LT8471，為電源設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的可能性。你在使用LT8471的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。