LTC7851/LTC7851 - 1：高性能多相降壓控制器的深度剖析

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 公司的 LTC7851/LTC7851 - 1 四輸出多相降壓電壓模式 DC/DC 控制器，它在高電流分布式電源系統(tǒng)、DSP、FPGA 和 ASIC 供電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

LTC7851/LTC7851 - 1 采用恒定頻率電壓模式架構(gòu)，能與功率模塊、DrMOS 或外部柵極驅(qū)動(dòng)器及 MOSFET 協(xié)同工作。其顯著特點(diǎn)包括精準(zhǔn)的電流共享、±0.75%的 0.6V 電壓基準(zhǔn)、四通道差分輸出電壓檢測(cè)放大器以及多相能力等。工作頻率范圍為 250kHz 至 2.25MHz 且可鎖相，具備無損電流檢測(cè)功能，可使用電感 DCR 或精密電流檢測(cè)電阻，還擁有電源良好輸出電壓監(jiān)控和輸出電壓跟蹤及軟啟動(dòng)能力。

二、電氣特性分析

1. 電壓范圍

• VINSNS：VIN 檢測(cè)范圍在 VCC = 5V 時(shí)為 3V 至 27V。
• VCC：芯片供電電壓范圍是 3V 至 5.5V。
• VOUT：輸出電壓范圍受電流檢測(cè)引腳共模電壓范圍限制，為 0.6V 至 VCC - 0.5V。

2. 電流特性

• IQ：正常工作時(shí)輸入電壓供電電流為 60mA，關(guān)機(jī)模式下為 100μA。
• IRUN：RUN 輸入上拉電流在 VRUN = 2.4V 時(shí)為 1.5μA。
• ISS：軟啟動(dòng)引腳輸出電流在 VSS = 0V 時(shí)為 1.5 - 3.5μA。

3. 其他特性

• VFB：調(diào)節(jié)反饋電壓在不同溫度范圍有不同精度，如 - 20°C 至 85°C 時(shí)為 595.5 - 604.5mV。
• AV(OL)：誤差放大器開環(huán)電壓增益為 75dB。
• SR：壓擺率為 45V/μs。

三、工作原理詳解

1. 主控制架構(gòu)

LTC7851/LTC7851 - 1 是四通道/四相的恒定頻率電壓模式控制器，適用于 DC/DC 降壓應(yīng)用。在同步開關(guān)架構(gòu)中，可搭配多種外部元件。它允許使用感測(cè)電阻或無損電感 DCR 電流檢測(cè)來維持各相之間的電流平衡并提供過流保護(hù)。工作頻率可在 250kHz 至 2.25MHz 之間選擇，通過并聯(lián)多個(gè)控制器可實(shí)現(xiàn)多相操作，單相時(shí)每個(gè)通道可獨(dú)立輸出。

2. 電流共享

在多相操作中，該控制器集成了輔助電流共享環(huán)路。每周期對(duì)電感電流進(jìn)行采樣，主相的電流檢測(cè)放大器輸出在 IAVG 引腳進(jìn)行平均，主相和從相的 IAVG 引腳需連接在一起。從相將自身電流與主相電流的差值進(jìn)行積分，通過調(diào)整占空比來均衡各相電流。

3. 過流保護(hù)

電流檢測(cè)放大器輸出連接到過流（OC）比較器，當(dāng)檢測(cè)到 128 個(gè)連續(xù)時(shí)鐘周期的 OC 故障時(shí)，控制器將 PWM 輸出置為三態(tài)，重置軟啟動(dòng)電容，并等待 32768 個(gè)時(shí)鐘周期后再嘗試重新啟動(dòng)。同時(shí)，還提供負(fù) OC（NOC）保護(hù)，防止底部 MOSFET 在負(fù) OC 故障時(shí)導(dǎo)通。

4. 瞬態(tài)響應(yīng)

誤差放大器具有高帶寬、高直流增益、低失調(diào)和低輸出阻抗的特點(diǎn)，結(jié)合高開關(guān)頻率和低電感值，可優(yōu)化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高控制環(huán)路交叉頻率和出色的瞬態(tài)響應(yīng)。

5. 線路前饋補(bǔ)償

采用前饋校正方案，可即時(shí)調(diào)整占空比以補(bǔ)償輸入電壓的變化，顯著減少輸出過沖和下沖，使直流環(huán)路增益與輸入電壓無關(guān)。

6. 遠(yuǎn)程檢測(cè)差分放大器

包含四個(gè)低失調(diào)、單位增益、高帶寬的差分放大器，用于差分輸出檢測(cè)，可消除電路板互連損耗對(duì)輸出電壓精度的影響。

7. 關(guān)機(jī)控制

每個(gè)通道可通過各自的 RUN 引腳獨(dú)立啟用。當(dāng)所有 RUN 引腳置低時(shí)，所有內(nèi)部電路，包括內(nèi)部參考和振蕩器將完全關(guān)閉。

8. 欠壓鎖定

當(dāng) VCC 低于欠壓鎖定（UVLO）閾值（2.9V 下降沿，3V 上升沿）時(shí)，所有通道將被禁用。

9. 過壓保護(hù)

當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定調(diào)節(jié)值的 10%以上時(shí)，控制器將強(qiáng)制 PWM 輸出置低，開啟底部 MOSFET 以對(duì)輸出放電。

10. 非同步啟動(dòng)和預(yù)偏置輸出

啟動(dòng)時(shí)會(huì)先進(jìn)行 7 個(gè)周期的非同步操作，然后切換到強(qiáng)制連續(xù)模式。在預(yù)偏置輸出情況下，可安全啟動(dòng)而不放電輸出電容。

11. 內(nèi)部軟啟動(dòng)

默認(rèn)情況下，每個(gè)通道的輸出電壓?jiǎn)?dòng)由內(nèi)部軟啟動(dòng)斜坡控制，F(xiàn)B 引腳被調(diào)節(jié)到誤差放大器三個(gè)同相輸入中的較低值。

12. 軟啟動(dòng)和跟蹤

用戶可通過在 TRACK/SS 引腳連接外部電容來增加軟啟動(dòng)斜坡時(shí)間，也可使用該引腳使輸出電源跟蹤另一個(gè)電源的電壓。

13. 頻率選擇和鎖相環(huán)（PLL）

開關(guān)頻率可通過三種方式設(shè)置：使用外部電阻線性編程、同步到外部時(shí)鐘或選擇兩個(gè)固定頻率（600kHz 和 1MHz）。無需外部 PLL 濾波器即可同步到外部時(shí)鐘。

14. CLKOUT 引腳的應(yīng)用

CLKOUT 引腳可用于在多相應(yīng)用中菊花鏈連接多個(gè) LTC7851/LTC7851 - 1 芯片，實(shí)現(xiàn)頻率和相位的同步。

15. 誤差放大器在多相應(yīng)用中的使用

在多相應(yīng)用中，使用一個(gè)誤差放大器作為主放大器，禁用從放大器的 FB 引腳連接到 VCC，將所有 COMP 引腳連接在一起以產(chǎn)生各相的 PWM 輸出。

四、應(yīng)用信息

1. 輸出電壓編程和差分輸出檢測(cè)

通過外部電阻分壓器對(duì)輸出電壓進(jìn)行編程，差分輸出檢測(cè)可提高高功率分布式系統(tǒng)中輸出電壓的調(diào)節(jié)精度。

2. 編程工作頻率

可通過連接 CLKIN 和 FREQ 引腳選擇頻率編程模式，頻率計(jì)算公式根據(jù)頻率范圍有所不同。

3. 頻率同步

內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）可使內(nèi)部振蕩器與 250kHz 至 2.25MHz 的外部時(shí)鐘同步。

4. 選擇電感和設(shè)置電流限制

電感值與開關(guān)頻率相關(guān)，可根據(jù)公式計(jì)算。電流限制需確保電感不飽和且能滿足瞬態(tài)條件下的電流需求。

5. 電感磁芯選擇

高效率轉(zhuǎn)換器通常選擇鐵氧體或鉬坡莫合金磁芯，避免使用低損耗的粉末鐵芯。

6. CIN 選擇

輸入旁路電容需滿足低 ESR、足夠的 RMS 電流能力和大電容值的要求，多相架構(gòu)可降低輸入電容的 RMS 紋波電流。

7. COUT 選擇

輸出電容的選擇主要取決于最小化電壓紋波和負(fù)載階躍瞬變所需的 ESR，可選擇多種類型的電容。

8. 電流檢測(cè)

可通過電感 DCR 或感測(cè)電阻進(jìn)行電流檢測(cè)，需注意濾波器時(shí)間常數(shù)的匹配和元件的放置。

9. 多相操作

在多相應(yīng)用中，需禁用從誤差放大器，連接相關(guān)引腳，多個(gè)芯片可菊花鏈連接以提供更多輸出電流并減少輸入和輸出電容的紋波電流。

10. 輸出電流共享

多個(gè)通道或芯片驅(qū)動(dòng)共同負(fù)載時(shí)，準(zhǔn)確的輸出電流共享至關(guān)重要，可通過 IAVG 環(huán)路實(shí)現(xiàn)。

11. 四通道操作

可控制四個(gè)獨(dú)立電源輸出，各通道應(yīng)使用差分檢測(cè)放大器，每個(gè)通道的電流限制電阻應(yīng)獨(dú)立設(shè)置。

12. 跟蹤和軟啟動(dòng)

TRACK/SS 引腳可用于編程外部軟啟動(dòng)功能或使輸出電源跟蹤另一個(gè)電源。

13. 反饋環(huán)路補(bǔ)償

建議使用 Type 3 補(bǔ)償以獲得最佳瞬態(tài)響應(yīng)，需根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算補(bǔ)償元件的值。

14. 電感選擇

電感應(yīng)根據(jù)特定的紋波電流和飽和電流進(jìn)行選擇，較低的紋波電流可提高效率但需要較大的電感。

15. 功率 MOSFET 選擇

每個(gè)通道至少需要兩個(gè)外部 N 溝道功率 MOSFET，選擇時(shí)需考慮導(dǎo)通電阻、輸入電容、擊穿電壓和最大輸出電流等因素。

16. MOSFET 驅(qū)動(dòng)器選擇

可使用與 LTC7851/LTC7851 - 1 的三態(tài) PWM 輸出兼容的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC、DrMOS 和功率模塊。

17. 效率考慮

開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率等于輸出功率除以輸入功率，需分析各個(gè)損耗源以提高效率。

五、設(shè)計(jì)示例

以一個(gè) 4 相應(yīng)用為例，輸入電壓 12V，輸出電壓 1.2V，負(fù)載電流 120A，開關(guān)頻率 400kHz。選擇合適的電感、電流限制電阻、輸出電容和補(bǔ)償元件，同時(shí)選擇 LTC4449 柵極驅(qū)動(dòng)器和外部 MOSFET 作為功率級(jí)。

六、印刷電路板布局檢查清單

在進(jìn)行印刷電路板布局時(shí)，需注意 SGND 引腳與小信號(hào)元件的連接、小信號(hào)元件與高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離、遠(yuǎn)程電壓和電流檢測(cè)走線的屏蔽、輸入電容的位置、MOSFET 的應(yīng)力檢查以及多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)時(shí) CLKOUT 引腳的電容負(fù)載等問題。

七、典型應(yīng)用

文檔中給出了多種典型應(yīng)用電路，如雙輸出轉(zhuǎn)換器、四輸出轉(zhuǎn)換器和 4 相 1.2V/140A 轉(zhuǎn)換器等，這些電路展示了 LTC7851/LTC7851 - 1 在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用。

八、相關(guān)部件

文檔還列出了一些相關(guān)部件，如 LTM4630/LTM4630A、LTM4677 等，為工程師在設(shè)計(jì)中提供了更多的選擇。

總的來說，LTC7851/LTC7851 - 1 是一款功能強(qiáng)大的多相降壓控制器，在電源管理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。工程師在使用時(shí)需根據(jù)具體需求合理選擇元件和參數(shù)，同時(shí)注意電路板布局等細(xì)節(jié)，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似控制器的使用問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。