LTC3874：高性能多相降壓同步從控制器的深度解析

在電子工程領(lǐng)域，對于高電流、多相應(yīng)用的電源解決方案需求日益增長。LTC3874作為一款出色的多相降壓同步從控制器，為工程師們提供了強大而靈活的選擇。本文將深入剖析LTC3874的特性、工作原理、應(yīng)用要點以及設(shè)計實例，幫助工程師們更好地理解和應(yīng)用這款芯片。

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一、LTC3874概述

LTC3874是一款雙多相電流模式同步降壓從控制器，與配套的主控制器配合使用時，可擴展相數(shù)，實現(xiàn)高電流、多相應(yīng)用。它采用獨特架構(gòu)，增強了電流感測信號的信噪比，允許使用亞毫歐直流電阻（DCR）功率電感器，從而在提高效率的同時減少開關(guān)抖動。其峰值電流模式架構(gòu)確保即使在動態(tài)負(fù)載下也能實現(xiàn)精確的相到相電流共享。

1.1 主要特點

• 相擴展功能：適用于高相數(shù)電壓軌，最多支持12相操作。
• 精確的相到相電流共享：確保各相電流均勻分配，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
• 亞毫歐DCR電流感測：可使用極低DCR值的電感器，提升效率。
• 鎖相固定頻率：頻率范圍為250kHz至1MHz，可與外部時鐘同步。
• 對主IC故障的即時響應(yīng)：增強系統(tǒng)的可靠性。
• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為4.5V至38V，輸出電壓根據(jù)不同配置可達3.5V或5.5V。
• 專有電流模式控制環(huán)路：提供穩(wěn)定的控制性能。
• 可編程CCM/DCM操作：可根據(jù)負(fù)載情況選擇合適的工作模式。
• 可編程相移控制：靈活調(diào)整各相之間的相位關(guān)系。
• 雙N溝道MOSFET柵極驅(qū)動器：提供足夠的驅(qū)動能力。
• 28引腳QFN封裝：尺寸小巧，便于布局。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 高電流分布式電源系統(tǒng)：滿足高功率設(shè)備的供電需求。
• 電信、數(shù)據(jù)通信和存儲系統(tǒng)：為這些對電源穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng)提供可靠支持。
• 智能節(jié)能電源調(diào)節(jié)：有助于提高能源利用效率。

二、工作原理

2.1 主控制環(huán)路

LTC3874是一款恒頻、LTC專有電流模式降壓從控制器，與主控制器并行工作。在正常運行時，每個頂部MOSFET在該通道的時鐘設(shè)置RS鎖存器時開啟，當(dāng)主電流比較器ICMP重置RS鎖存器時關(guān)閉。ICMP重置RS鎖存器時的峰值電感電流由ITH引腳的電壓控制，該電壓是主控制器的輸出。當(dāng)負(fù)載電流增加時，主控制器提高ITH電壓，從而使相應(yīng)從通道的峰值電流增加，直到平均電感電流與新的負(fù)載電流匹配。在頂部MOSFET關(guān)閉后，底部MOSFET在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下開啟，直到下一個周期開始；在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下，直到電感電流開始反向。需要注意的是，LTC3874從控制器不調(diào)節(jié)輸出電壓，而是調(diào)節(jié)每個通道的電流，以與主控制器實現(xiàn)電流共享，輸出電壓調(diào)節(jié)通過主控制器的電壓反饋控制環(huán)路實現(xiàn)。

2.2 亞毫歐DCR電流感測

LTC3874采用獨特架構(gòu)，增強了電流感測信號的信噪比，使其能夠使用亞毫歐值電感器的DCR進行小感測信號操作，從而提高功率效率并減少開關(guān)噪聲引起的抖動。將LOWDCR引腳浮空或拉高可啟用亞毫歐DCR電流感測，通過精心的PCB布局，LTC3874能夠感測低至0.2mΩ的DCR值。專有信號處理電路可將信噪比提高14dB。與傳統(tǒng)電流模式架構(gòu)一樣，電流限制閾值仍然是電感峰值電流和DCR值的函數(shù)，可通過ILIM和ITH引腳精確設(shè)置。

2.3 INTVCC/EXTVCC電源

頂部和底部MOSFET驅(qū)動器以及大多數(shù)其他內(nèi)部電路的電源來自INTVCC引腳。當(dāng)EXTVCC引腳懸空或連接到低于4.7V的電壓時，內(nèi)部5.5V線性穩(wěn)壓器從VIN提供INTVCC電源。如果EXTVCC電壓高于4.7V且VIN高于7V，則5.5V穩(wěn)壓器關(guān)閉，內(nèi)部開關(guān)開啟，將EXTVCC連接到INTVCC。EXTVCC可以在VIN之前施加，使用EXTVCC允許從外部源獲取INTVCC電源。每個頂部MOSFET驅(qū)動器由浮動自舉電容器CB偏置，該電容器通常在頂部MOSFET關(guān)閉時通過外部二極管在每個關(guān)斷周期內(nèi)充電。如果輸入電壓VIN降至接近Vout的電壓，環(huán)路可能進入降壓模式，并嘗試連續(xù)開啟頂部MOSFET。降壓檢測器會檢測到這種情況，并每三個周期強制頂部MOSFET關(guān)閉約十二分之一的時鐘周期加100ns，以允許CB充電。

2.4 啟動和關(guān)斷

LTC3874的兩個通道可以使用RUN0和RUN1引腳獨立關(guān)斷。將這些引腳中的任何一個拉低至1.4V以下會關(guān)閉該通道的主控制電路。在關(guān)斷期間，TG和BG引腳被拉低，以關(guān)閉外部功率MOSFET。將這些引腳中的任何一個拉高至2V以上可啟用控制器。RUN0/1引腳在INTVCC電壓通過欠壓鎖定閾值3.8V之前會被主動拉低。對于多相操作，RUN0/1引腳必須連接在一起，并由主控制器的RUN引腳驅(qū)動。由于LTC3874中的大型RC濾波器在初始化期間需要穩(wěn)定，因此RUN引腳只能在VIN準(zhǔn)備好4ms后拉高。這些引腳的電壓不得超過絕對最大額定值6V。每個通道的輸出電壓VOUT的啟動由主控制器控制。釋放RUN引腳后，主控制器根據(jù)編程的延遲時間和上升時間驅(qū)動輸出。從控制器LTC3874在啟動期間跟隨主控制器設(shè)置的ITH電壓，向輸出提供相同的電流。

2.5 輕載電流操作

LTC3874可以在不連續(xù)導(dǎo)通模式或強制連續(xù)導(dǎo)通模式下運行。要選擇強制連續(xù)模式，將MODE引腳連接到高于2V的直流電壓（例如INTVCC）；要選擇不連續(xù)導(dǎo)通模式，將MODE引腳連接到低于1.4V的直流電壓（例如GND）。在強制連續(xù)模式下，輕載或大瞬態(tài)條件下允許電感電流反向，峰值電感電流由ITH引腳的電壓決定。在這種模式下，輕載效率低于不連續(xù)模式，但連續(xù)模式具有輸出紋波低和對音頻電路干擾小的優(yōu)點。當(dāng)MODE引腳連接到GND時，LTC3874在輕載時以不連續(xù)模式運行。在非常輕的負(fù)載下，電流比較器ICMP可能會在幾個周期內(nèi)保持觸發(fā)狀態(tài)，并迫使外部頂部MOSFET在相同數(shù)量的周期內(nèi)保持關(guān)閉（即跳過脈沖）。這種模式提供了比強制連續(xù)模式更高的輕載效率，并且不允許電感電流反向。MODE引腳內(nèi)部連接有一個500k下拉電阻，如果MODE0/1引腳懸空，兩個通道默認(rèn)處于不連續(xù)導(dǎo)通模式。

2.6 多芯片操作

SYNC引腳用于同步主從控制器之間的開關(guān)頻率。由于從輸入電容器汲取的峰值電流有效地被使用的相數(shù)除，并且功率損耗與RMS電流的平方成正比，因此輸入電容ESR要求和效率損失大幅降低。兩級單輸出電壓實現(xiàn)可以將輸入路徑功率損耗降低75%，并顯著降低輸入電容器的所需RMS電流額定值。

2.7 頻率選擇和鎖相環(huán)

開關(guān)頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作通過減少MOSFET開關(guān)損耗來提高效率，但需要更大的電感和/或電容來保持低輸出紋波電壓。LTC3874控制器的開關(guān)頻率可以使用FREQ引腳選擇。如果SYNC引腳沒有由外部時鐘源驅(qū)動，F(xiàn)REQ引腳可用于將控制器的工作頻率編程為250kHz至1MHz。FREQ引腳有一個精確的10μA電流流出，因此用戶可以使用一個接地電阻來編程控制器的開關(guān)頻率。應(yīng)用部分提供了一個曲線，顯示了FREQ引腳電壓與開關(guān)頻率之間的關(guān)系。LTC3874集成了一個鎖相環(huán)（PLL），用于將內(nèi)部振蕩器與SYNC引腳的外部時鐘源同步。PLL環(huán)路濾波器網(wǎng)絡(luò)集成在LTC3874內(nèi)部。鎖相環(huán)能夠鎖定到250kHz至1MHz范圍內(nèi)的任何頻率。在鎖定到外部時鐘之前，頻率設(shè)置電阻應(yīng)始終存在，以設(shè)置控制器的初始開關(guān)頻率。

三、應(yīng)用信息

3.1 電流限制編程

為了實現(xiàn)平衡的負(fù)載電流共享，應(yīng)使用與主控制器相同的電流范圍設(shè)置。需要注意的是，LTC3874在ITH引腳沒有用于峰值電流限制和過流保護的有源鉗位電路，過流保護依賴于主控制器驅(qū)動ITH引腳不超過鉗位電壓。電流感測閾值與ITH電壓之間的關(guān)系可以在相關(guān)表格中找到。

3.2 ISENSE+和ISENSE–引腳

ISENSE+和ISENSE–是電流比較器的輸入。當(dāng)LOWDCR引腳為高電平時，它們的共模輸入電壓范圍為0V至3.5V。ISENSE–應(yīng)直接連接到主控制器的Vout，ISENSE+連接到一個時間常數(shù)為輸出電感L/DCR五分之一的R ? C濾波器。在正常操作期間，必須注意不要使這些引腳浮空。濾波組件，特別是電容器，必須靠近LTC3874放置，并且感測線應(yīng)緊密連接到電流感測元件下方的開爾文連接。LTC3874設(shè)計用于與亞毫歐DCR值配合使用，如果不注意，寄生電阻、電容和電感會降低電流感測信號的完整性，使編程的電流限制不可預(yù)測。通過將LOWDCR引腳拉低，電流限制會增加2.5倍，具體細(xì)節(jié)可參考相關(guān)表格。在這些應(yīng)用中，ISENSE+、ISENSE–的共模工作電壓范圍為0V至5.5V。

3.3 電感DCR電流感測

LTC3874專門設(shè)計用于需要最高效率的高負(fù)載電流應(yīng)用，能夠感測亞毫歐范圍內(nèi)的電感DCR信號。DCR是電感銅繞組的直流電阻，對于高電流電感，通常小于1mΩ。在高電流和低輸出電壓應(yīng)用中，高DCR或感測電阻的傳導(dǎo)損耗會導(dǎo)致功率效率顯著降低。對于特定的輸出要求，應(yīng)選擇滿足最大期望感測電壓的DCR的電感，并使用感測引腳濾波器與輸出電感特性的關(guān)系，具體公式如下： [DCR=frac{V{ISENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I_{L}}{2}}] [RC = L /(5 cdot DCR)]（當(dāng)LOWDCR引腳為高電平時） [RC = L/DCR]（當(dāng)LOWDCR引腳為低電平時）

其中，VISENSE(MAX)是給定ITH電壓下的最大感測電壓，IMAX是最大負(fù)載電流，ΔIL是電感紋波電流，L和DCR是輸出電感特性，R和C是濾波器時間常數(shù)。為了確保負(fù)載電流在整個工作溫度范圍內(nèi)都能得到保證，應(yīng)考慮DCR電阻的溫度系數(shù)，約為0.4%/°C。通常，C選擇在0.047μF至0.47μF的范圍內(nèi)，這會使R約為2kΩ，減少ISENSE引腳±1uA電流可能引起的誤差。R中會有一些與占空比相關(guān)的功率損耗，在連續(xù)模式下最大輸入電壓時損耗最高，計算公式為： [P{LOSS }(R)=frac{left(V{IN(MAX)}-V{OUT }right) cdot V{OUT }}{R}]

應(yīng)確保R的功率額定值高于此值。然而，DCR感測消除了感測電阻的傳導(dǎo)損耗，在重載時提供更好的效率。為了保持電流感測信號的良好信噪比，當(dāng)LOWDCR引腳為高電平時，對于占空比小于40%的情況，期望最小ΔVISENSE為2mV；當(dāng)LOWDCR引腳為低電平時，對于占空比小于40%的情況，使用最小ΔVISENSE為10mV。實際紋波電壓由以下公式確定： [Delta V{ISENSE }=frac{V{OUT }}{V{IN }}left(frac{V{IN }-V{OUT }}{RC cdot f{OSC }}right)]

3.4 電感值計算

給定所需的輸入和輸出電壓、電感值和工作頻率fOSC，電感的峰峰值紋波電流直接由以下公式確定： [RIPPLE =frac{V{OUT }}{V{IN }}left(frac{V{IN }-V{OUT }}{f_{OSC } cdot L}right)]

較低的紋波電流可降低電感中的磁芯損耗、輸出電容器中的ESR損耗以及輸出電壓紋波。因此，在低頻下使用小紋波電流可實現(xiàn)最高效率操作。然而，要實現(xiàn)這一點，需要一個大電感。一個合理的起點是選擇約為IOUT(MAX) 40%的紋波電流。需要注意的是，最大紋波電流發(fā)生在最高輸入電壓時。為了保證紋波電流不超過指定的最大值，應(yīng)根據(jù)以下公式選擇電感： [L geq frac{V{IN }-V{OUT }}{f{OSC } cdot I{RIPPLE }} cdot frac{V{OUT }}{V{IN }}]

3.5 電感磁芯選擇

確定電感值后，需要選擇電感的類型。對于固定的電感值，磁芯損耗與磁芯尺寸無關(guān)，但與所選的電感密切相關(guān)。隨著電感的增加，磁芯損耗會降低。然而，增加電感需要更多的導(dǎo)線匝數(shù)，因此銅損耗會增加。鐵氧體設(shè)計具有非常低的磁芯損耗，在高開關(guān)頻率下更受青睞，因此設(shè)計目標(biāo)可以集中在銅損耗和防止飽和上。鐵氧體磁芯材料在超過峰值設(shè)計電流時會“硬”飽和，這意味著電感會突然崩潰，導(dǎo)致電感紋波電流和輸出電壓紋波突然增加。因此，不要讓磁芯飽和！

3.6 功率MOSFET和肖特基二極管（可選）選擇

至少需要選擇兩個外部功率MOSFET：一個用于頂部（主）開關(guān)的N溝道MOSFET和一個或多個用于底部（同步）開關(guān)的N溝道MOSFET。選擇所有MOSFET的數(shù)量、類型和導(dǎo)通電阻時，應(yīng)考慮電壓降壓比以及MOSFET的實際位置（主或同步）。在輸出電壓小于輸入電壓三分之一的應(yīng)用中，頂部MOSFET應(yīng)使用更小且輸入電容更低的MOSFET。在VIN >> VOUT的應(yīng)用中，在高于300kHz的工作頻率下，頂部MOSFET的導(dǎo)通電阻對于整體效率通常不如其輸入電容重要。MOSFET制造商設(shè)計了特殊用途的器件，為開關(guān)穩(wěn)壓器中的主開關(guān)應(yīng)用提供了合理低的導(dǎo)通電阻和顯著降低的輸入電容。

3.7 INTVCC穩(wěn)壓器和EXTVCC

LTC3874具有一個PMOS LDO，從VIN電源為INTVCC供電。INTVCC為柵極驅(qū)動器和LTC3874的大多數(shù)內(nèi)部電路供電。當(dāng)VIN大于6V時，線性穩(wěn)壓器將INTVCC引腳的電壓調(diào)節(jié)到5.5V。EXTVCC通過另一個P溝道MOSFET連接到INTVCC，當(dāng)EXTVCC電壓高于4.7V且VIN高于7V時，它可以提供所需的功率。每個都可以提供100mA的峰值電流，并且必須用最小4.7μF的陶瓷電容器或低ESR電解電容器旁路到地。無論使用哪種類型的大容量電容器，強烈建議在INTVCC和GND引腳旁邊直接放置一個額外的0.1μF陶瓷電容器。良好的旁路是為MOSFET柵極驅(qū)動器提供所需的高瞬態(tài)電流并防止通道之間相互作用所必需的。

3.8 頂部MOSFET驅(qū)動器電源

外部自舉電容器CB連接到BOOST引腳，為頂部MOSFET提供柵極驅(qū)動電壓。功能圖中的電容器CB在SW引腳為低電平時通過外部二極管從INTVCC充電。當(dāng)頂部MOSFET要開啟時，驅(qū)動器將CB電壓施加到MOSFET的柵源極之間，從而增強MOSFET并開啟頂部開關(guān)。開關(guān)節(jié)點電壓SW上升到VIN，BOOST引腳跟隨。當(dāng)頂部MOSFET開啟時，升壓電壓高于輸入電源： [V{BOOST }=V{IN }+V{INVCC }-V{DB}]

升壓電容器CB的值需要是頂部MOSFET總輸入電容的100倍。外部肖特基二極管的反向擊穿電壓必須大于