LT8616：高效雙路同步降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一款高性能的降壓調(diào)節(jié)器能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。今天，我們要介紹的是 Linear Technology 公司的 LT8616 雙路 42V 同步單片降壓調(diào)節(jié)器，它以其低靜態(tài)電流、寬輸入電壓范圍等特性，在汽車、工業(yè)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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LT8616 概述

關(guān)鍵特性

• 寬輸入電壓范圍：支持 3.4V 至 42V 的輸入電壓，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 雙路獨(dú)立輸出：包含 2.5A 和 1.5A 的降壓調(diào)節(jié)器，且具有獨(dú)立的輸入，可滿足不同負(fù)載的需求。
• 快速最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間：僅 35ns 的最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。
• 超低靜態(tài)電流：在 Burst Mode? 操作下，靜態(tài)電流低至 6.5μA，在調(diào)節(jié) (12V{IN}) 至 (5V{OUT}) 和 (3.3V_{OUT}) 輸出時(shí)，輸出紋波小于 15mV。
• 180° 異相開關(guān)：減少了開關(guān)噪聲和輸入電流紋波。
• 可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在 200kHz 至 3MHz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并且可同步至 250kHz 至 3MHz 的外部時(shí)鐘。
• 準(zhǔn)確的使能引腳閾值：使能引腳具有準(zhǔn)確的 1V 閾值，可用于編程欠壓鎖定。
• 內(nèi)部補(bǔ)償：采用內(nèi)部補(bǔ)償和峰值電流模式拓?fù)?，允許使用小電感，實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)和良好的環(huán)路穩(wěn)定性。
• 輸出軟啟動(dòng)和跟蹤：支持輸出軟啟動(dòng)和跟蹤功能，可防止啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。

應(yīng)用領(lǐng)域

• 汽車和工業(yè)電源：為汽車電子系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
• 通用降壓應(yīng)用：適用于各種需要降壓轉(zhuǎn)換的場合。

電氣特性

靜態(tài)電流

在不同的工作模式和條件下，LT8616 的靜態(tài)電流表現(xiàn)出色。例如，當(dāng) EN/UV1 = EN/UV2 = 0V 時(shí)，從 (V{IN1}) 吸取的電流僅為 1.7μA；在 Burst Mode 下，不開關(guān)時(shí)從 (V{IN1}) 吸取的電流為 3.0 - 12.0μA。

反饋電壓

反饋電壓（FB Voltage）在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下保持穩(wěn)定，典型值為 790mV，且具有良好的線性調(diào)節(jié)率。

開關(guān)特性

SW1 和 SW2 的最小導(dǎo)通時(shí)間在負(fù)載為 0.25A 的脈沖跳過模式下，典型值為 35ns，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開關(guān)動(dòng)作。同時(shí)，開關(guān)的導(dǎo)通電阻和電流限制也確保了系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

引腳功能詳解

BIAS 引腳

當(dāng)連接到高于 3.1V 的電壓時(shí)，為內(nèi)部調(diào)節(jié)器供電。對(duì)于 3.3V 及以上的輸出電壓，應(yīng)將該引腳連接到相應(yīng)的 (V{OUT})。若連接到非 (V{OUT1}) 或 (V_{OUT2}) 的電源，需連接一個(gè) 1μF 的旁路電容；若不使用，則接地。

BOOST1 和 BOOST2 引腳

用于為內(nèi)部頂部功率開關(guān)提供高于輸入電壓的驅(qū)動(dòng)電壓。應(yīng)在 BOOST 引腳和相應(yīng)的 SW 引腳之間盡可能靠近 IC 放置 0.1μF 的電容，以確保良好的性能。

EN/UV1 和 EN/UV2 引腳

用于獨(dú)立禁用或啟用每個(gè)通道。當(dāng)引腳拉低時(shí)，相應(yīng)通道關(guān)閉；拉高時(shí)，通道開啟。滯回閾值電壓上升時(shí)為 1.03V，下降時(shí)為 0.98V。若不使用關(guān)機(jī)功能，可將其連接到 (V{IN})；也可使用外部電阻分壓器從 (V{IN}) 編程閾值，以在低于特定電壓時(shí)禁用通道。

FB1 和 FB2 引腳

被調(diào)節(jié)到 0.790V。應(yīng)將反饋電阻分壓器的抽頭連接到這些引腳，并在 FB 引腳和 (V_{OUT}) 節(jié)點(diǎn)之間連接相位超前電容，典型值為 1.5pF 至 10pF。

GND 引腳

GND 引腳和外露焊盤必須連接到輸入電容的負(fù)端，并焊接到 PCB 上，以降低熱阻。

(INTV_{CC}) 引腳

為內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器和控制電路提供電源。若 (V{BIAS} > 3.1V)，電流將從 BIAS 引腳獲?。环駝t，將從 (V{IN1}) 吸取電流。該引腳需使用至少 1μF 的低 ESR 陶瓷電容進(jìn)行去耦，且不要用外部電路加載該引腳。

NC 引腳

無內(nèi)部連接?？蓪⑵涓】找蕴岣呷蒎e(cuò)能力，或連接到地以方便 PCB 布局。

PG1 和 PG2 引腳

是內(nèi)部電源良好比較器的開漏輸出。當(dāng)相應(yīng)的 FB 引腳電壓在最終調(diào)節(jié)電壓的 ±10% 范圍內(nèi)且無故障條件時(shí)，PG 引腳保持高阻態(tài)，通常通過外部電阻上拉；否則，內(nèi)部下拉器件將引腳拉低。

RT 引腳

通過在 RT 引腳和地之間連接一個(gè)電阻來設(shè)置開關(guān)頻率。

SW1 和 SW2 引腳

是每個(gè)通道內(nèi)部功率開關(guān)的輸出。應(yīng)將這些引腳連接到電感和升壓電容，并且在 PCB 上應(yīng)盡量減小 SW 節(jié)點(diǎn)的面積，以提高性能。

SYNC/MODE 引腳

接地時(shí)，在低輸出負(fù)載下實(shí)現(xiàn)低紋波 Burst Mode 操作；連接到時(shí)鐘源時(shí)，可同步到外部頻率；施加 2.4V 或更高的直流電壓或連接到 (INTV_{CC}) 時(shí)，進(jìn)入脈沖跳過模式。在脈沖跳過模式下，每個(gè)通道的靜態(tài)電流將增加到幾百 μA。

TR/SS1 和 TR/SS2 引腳

用于軟啟動(dòng)兩個(gè)通道，允許一個(gè)通道跟蹤另一個(gè)輸出，或使兩個(gè)通道跟蹤另一個(gè)輸出。對(duì)于跟蹤功能，可從被跟蹤的輸出連接一個(gè)電阻分壓器到 TR/SS 引腳；對(duì)于軟啟動(dòng)，可在 TR/SS 引腳連接一個(gè)電容。內(nèi)部 2μA 的上拉電流會(huì)對(duì)軟啟動(dòng)電容充電，產(chǎn)生電壓斜坡。當(dāng) TR/SS 電壓低于 0.79V 時(shí)，LT8616 會(huì)將相應(yīng)的 FB 引腳調(diào)節(jié)到等于 TR/SS 引腳電壓；當(dāng) TR/SS 電壓高于 0.79V 時(shí)，跟蹤功能禁用，內(nèi)部參考恢復(fù)對(duì)誤差放大器的控制。在關(guān)機(jī)和故障條件下，TR/SS 引腳會(huì)通過內(nèi)部 250Ω 的 MOSFET 拉低；若從低阻抗輸出驅(qū)動(dòng)，需使用串聯(lián)電阻。

(V{IN1}) 和 (V{IN2}) 引腳

(V{IN1}) 為 LT8616 的內(nèi)部電路和通道 1 的頂部功率開關(guān)提供電流，必須進(jìn)行局部旁路。即使僅使用通道 2，(V{IN1}) 也必須連接到 3.4V 或更高的電壓。(V{IN2}) 為內(nèi)部通道 2 的頂部功率開關(guān)提供電流，同樣需要局部旁路，且 (V{IN1}) 必須為 3.4V 或更高才能使通道 2 正常工作。

工作原理

LT8616 是一款雙路單片、恒定頻率、峰值電流模式的降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。其工作過程如下：

1. 開關(guān)控制：通過 RT 引腳的電阻設(shè)置振蕩器頻率，在每個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)，內(nèi)部頂部功率開關(guān)導(dǎo)通，電感電流開始增加。當(dāng)頂部開關(guān)電流比較器觸發(fā)時(shí)，頂部功率開關(guān)關(guān)閉。
2. 電流調(diào)節(jié)：誤差放大器通過比較 FB 引腳電壓與內(nèi)部 0.790V 參考電壓，調(diào)節(jié)內(nèi)部 (V{C}) 節(jié)點(diǎn)的電壓，從而控制頂部開關(guān)關(guān)閉時(shí)的峰值電感電流。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，反饋電壓相對(duì)參考電壓降低，誤差放大器會(huì)提高 (V{C}) 電壓，使平均電感電流匹配新的負(fù)載電流。
3. 同步開關(guān)：頂部功率開關(guān)關(guān)閉后，同步功率開關(guān)導(dǎo)通，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期開始或電感電流降至零。
4. 過載保護(hù)：如果過載導(dǎo)致底部開關(guān)電流超過谷值電流限制，下一個(gè)時(shí)鐘周期將延遲，直到電流恢復(fù)到安全水平。
5. 模式選擇：每個(gè)通道可以獨(dú)立進(jìn)入 Burst Mode 操作，以在輕負(fù)載時(shí)優(yōu)化效率。在 Burst Mode 下，輸出開關(guān)控制相關(guān)的所有電路在脈沖之間關(guān)閉，減少輸入電源電流。也可以通過 SYNC/MODE 引腳選擇脈沖跳過模式，在該模式下，振蕩器持續(xù)工作，開關(guān)轉(zhuǎn)換與時(shí)鐘對(duì)齊，輕負(fù)載時(shí)通過跳過開關(guān)脈沖來調(diào)節(jié)輸出，每個(gè)通道的靜態(tài)電流為幾百 μA。
6. 電源供應(yīng)：當(dāng) BIAS 引腳偏置在 3.1V 或以上時(shí)，內(nèi)部電路的電源可以從該引腳獲??；否則，將從 (V_{IN1}) 吸取電流。
7. 輸出監(jiān)測：比較器監(jiān)測 FB 引腳電壓，若輸出電壓與調(diào)節(jié)電壓的偏差超過 ±10%（典型值）或存在故障條件，相應(yīng)的 PG 引腳將被拉低。
8. 軟啟動(dòng)和跟蹤：通過 TR/SS 引腳向外部軟啟動(dòng)電容提供恒定電流，產(chǎn)生電壓斜坡，實(shí)現(xiàn)跟蹤軟啟動(dòng)。在軟啟動(dòng)過程中，F(xiàn)B 電壓被調(diào)節(jié)到 TR/SS 引腳電壓，直到其超過 0.790V，之后 FB 電壓調(diào)節(jié)到 0.790V 參考電壓。軟啟動(dòng)還會(huì)降低谷值電流限制，以避免啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。在關(guān)機(jī)、(V_{IN1}) 欠壓或熱關(guān)機(jī)時(shí)，軟啟動(dòng)電容會(huì)被復(fù)位。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)超低靜態(tài)電流

為了在輕負(fù)載時(shí)提高效率，LT8616 采用低紋波 Burst Mode 操作。在該模式下，LT8616 向輸出電容提供單個(gè)小電流脈沖，然后進(jìn)入睡眠期，由輸出電容提供輸出功率。睡眠模式下，LT8616 消耗 3μA 電流。隨著輸出負(fù)載降低，單個(gè)電流脈沖的頻率降低，睡眠模式時(shí)間增加，從而提高了輕負(fù)載效率。為了優(yōu)化輕負(fù)載時(shí)的靜態(tài)電流性能，應(yīng)盡量減小反饋電阻分壓器中的電流，因?yàn)樗鼤?huì)作為負(fù)載電流影響輸出。

FB 電阻網(wǎng)絡(luò)

輸出電壓通過輸出和 FB 引腳之間的電阻分壓器進(jìn)行編程。選擇電阻值時(shí)，可根據(jù)公式 (R1 = R2left(frac{V{OUT1}}{0.790V}-1right)) 進(jìn)行計(jì)算。為了保持輸出電壓的準(zhǔn)確性，建議使用 1% 的電阻。若需要低輸入靜態(tài)電流和良好的輕負(fù)載效率，應(yīng)使用較大的電阻值。反饋電阻分壓器中的電流會(huì)增加轉(zhuǎn)換器的無負(fù)載輸入電流，其計(jì)算公式為 (I{Q}=3mu A+left(frac{V{OUT1}}{R1 + R2}right)left(frac{V{OUT1}}{V_{IN1}}right)left(frac{1}{eta}right))，其中 3μA 為靜態(tài)電流，第二項(xiàng)為反饋分壓器中的電流在通道 1 輕負(fù)載效率 η 下反射到輸入的電流。

設(shè)置開關(guān)頻率

LT8616 采用恒定頻率 PWM 架構(gòu)，可通過在 RT 引腳和地之間連接電阻來編程開關(guān)頻率，范圍為 200kHz 至 3MHz。所需的 (R{T}) 電阻值可通過公式 (R{T}=frac{0.6}{f{SW}^{2}}+frac{42.6}{f{SW}}-6.1) 計(jì)算，其中 (R{T}) 單位為 (kOmega)，(f{SW}) 為所需的開關(guān)頻率（單位為 MHz）。兩個(gè)通道的開關(guān)相位相差 180°，以避免開關(guān)邊沿噪聲和輸入電流紋波。

開關(guān)頻率的選擇與權(quán)衡

選擇開關(guān)頻率時(shí)，需要在效率、元件尺寸和輸入電壓范圍之間進(jìn)行權(quán)衡。高頻操作的優(yōu)點(diǎn)是可以使用較小的電感和電容值，但缺點(diǎn)是效率較低，且全頻率操作的輸入電壓范圍較小。對(duì)于給定應(yīng)用，最高開關(guān)頻率 (f{SW(MAX)}) 可通過公式 (f{SW(MAX)}=frac{V{OUT}+V{SW(BOT)}}{t{ON(MIN)}(V{IN}-V{SW(TOP)}+V{SW(BOT)})}) 計(jì)算，其中 (V{IN}) 為典型輸入電壓，(V{OUT}) 為輸出電壓，(V{SW(TOP)}) 和 (V{SW(BOT)}) 分別為內(nèi)部開關(guān)壓降，(t{ON(MIN)}) 為最小頂部開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間。對(duì)于不允許在低 (V{IN}/V{OUT}) 比下偏離編程開關(guān)頻率的應(yīng)用，可使用公式 (V{IN(MIN)}=frac{V{OUT}+V{SW(BOT)}}{1 - f{SW}cdot t{OFF(MIN)}}-V{SW(BOT)}+V{SW(TOP)}) 設(shè)置開關(guān)頻率。

電感選擇和最大輸出電流

電感的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的輸出負(fù)載要求進(jìn)行。一個(gè)較好的電感值選擇公式為 (L1=frac{V{OUT1}+V{SW1(BOT)}}{f{SW}}cdot1.6) 和 (L2=frac{V{OUT2}+V{SW2(BOT)}}{f{SW}})，其中 (f{SW}) 為開關(guān)頻率（單位為 MHz），(V{OUT}) 為輸出電壓，(V{SW(BOT)}) 為底部開關(guān)壓降。為了避免過熱和效率低下，電感的 RMS 電流額定值應(yīng)大于應(yīng)用的最大預(yù)期輸出負(fù)載，且飽和電流（通常標(biāo)記為 (I{SAT})）額定值應(yīng)高于負(fù)載電流加上電感紋波電流的一半。最大輸出電流 (I{OUT(MAX)}) 取決于開關(guān)電流限制、電感值以及輸入和輸出電壓，計(jì)算公式為 (I{OUT(MAX)}=I{LIM}-frac{Delta I{L}}{2})，其中 (Delta I{L}) 為電感紋波電流，可通過公式 (Delta I{L}=frac{V{OUT}}{Lcdot f{SW}}cdotleft(1-frac{V{OUT}}{V{IN(MAX)}}right)) 計(jì)算。每個(gè)通道還有一個(gè)二次谷值電流限制，當(dāng)頂部開關(guān)關(guān)閉后，底部開關(guān)承載電感電流。如果電感電流過高，底部開關(guān)將保持導(dǎo)通，延遲頂部開關(guān)導(dǎo)通，直到電感電流恢復(fù)到安全水平。

輸入電容

應(yīng)使用 X7R 或 X5R 類型的陶瓷電容對(duì) LT8616 電路的輸入進(jìn)行旁路，將其盡可能靠近 (V_{IN}) 和 GND 引腳放置。Y5V 類型的電容在溫度和施加電壓變化時(shí)性能較差，不應(yīng)使用。2.2μF 至 10μF 的陶瓷電容足以旁路 LT8616，并能輕松處理紋波電流。當(dāng)使用較低開關(guān)頻率時(shí)，需要更大的輸入電容。如果輸入電源具有高阻抗或由于長電線或電纜存在顯著電感，則可能需要額外的大容量電容，可使用低性能電解電容。輸入電容的作用是減少 LT8616 處的電壓紋波，并將高頻開關(guān)電流限制在局部回路中，以最小化 EMI。

輸出電容和輸出紋波

輸出電容有兩個(gè)重要功能：一是與電感一起過濾 LT8616 產(chǎn)生的方波，產(chǎn)生直流輸出，因此在開關(guān)頻率下具有低阻抗很重要；二是存儲(chǔ)能量以滿足瞬態(tài)負(fù)載并穩(wěn)定 LT8616 的控制環(huán)路。陶瓷電容具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR），能提供最佳的紋波性能。建議使用 X5R 或 X7R 類型的電容，以獲得低輸出紋波和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。增加輸出電容值可以降低輸出電壓紋波，但可能會(huì)增加成本和占用空間；減小輸出電容值可以節(jié)省空間和成本，但可能會(huì)影響瞬態(tài)性能并導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定。在選擇電容時(shí)，應(yīng)注意根據(jù)數(shù)據(jù)手冊計(jì)算在相關(guān)電壓偏置和溫度條件下的有效電容值，可能需要使用物理尺寸更大或電壓額定值更高的電容。

使能引腳

當(dāng)兩個(gè) EN/UV 引腳都為低電平時(shí)，LT8616 處于關(guān)機(jī)狀態(tài)；當(dāng)任一引腳為高電平時(shí)，LT8616 處于激活狀態(tài)。EN/UV 比較器的上升閾值為 1.03V，具有 50mV 的滯回。如果不使用關(guān)機(jī)功能，可將 EN/UV 引腳連接到 (V{IN})；如果需要關(guān)機(jī)控制，可將其連接到邏輯電平。通過從 (V{IN}) 到 EN/UV 引腳添加電阻分壓器，可以編程 LT8616 僅在 (V_{IN}) 高于所需電壓時(shí)工作，以避免在低輸入電壓條件下出現(xiàn)問題。

(INTV_{CC}) 調(diào)節(jié)器

內(nèi)部低壓差（LDO）調(diào)節(jié)器從 (V{IN1}) 產(chǎn)生 3.4V 電源，為驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)部偏置電路供電。因此，要使用任一通道，(V{IN1}) 必須存在且有效。(INTV_{CC}) 引腳為 LT8616 的電路提供電流，必須使用 1μF 的陶瓷電容進(jìn)行去耦，以提供功率 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器所需