深度剖析LTC7812：高性能同步升降壓控制器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們就來深入探討一款高性能的同步升降壓控制器——LTC7812，看看它在電源設(shè)計(jì)中能為我們帶來哪些驚喜。

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一、LTC7812概述

LTC7812是一款高性能的同步Boost + Buck DC/DC開關(guān)調(diào)節(jié)器控制器，能夠驅(qū)動(dòng)所有N溝道功率MOSFET級(jí)。它具備獨(dú)立的升壓（Boost）和降壓（Buck）控制器，可調(diào)節(jié)兩個(gè)獨(dú)立輸出，也能級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)輸出電壓，輸入電壓可以高于、低于或等于輸出電壓，工作輸入電源范圍為4.5V至38V，啟動(dòng)后可低至2.5V，空載靜態(tài)電流僅33μA，能有效延長電池供電系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

二、關(guān)鍵特性

2.1 同步升降壓控制

LTC7812的級(jí)聯(lián)Boost + Buck解決方案具有連續(xù)、無脈動(dòng)的輸入和輸出電流，能顯著降低電壓紋波和電磁干擾（EMI）。它還擁有獨(dú)立的反饋和補(bǔ)償點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速的輸出瞬態(tài)響應(yīng)，且易于外部優(yōu)化。

2.2 寬輸入電壓范圍與低功耗

輸入電壓范圍為4.5V至38V，啟動(dòng)后可低至2.5V，適應(yīng)多種應(yīng)用場景。低工作靜態(tài)電流，如雙通道開啟時(shí)為33μA，降壓通道開啟時(shí)為28μA，有助于降低功耗。

2.3 多種電流傳感方式

支持RSENSE或無損DCR電流傳感，降壓輸出電壓范圍為0.8V至24V，升壓輸出電壓可達(dá)60V，滿足不同的電流檢測需求。

2.4 可鎖相頻率

頻率可在75kHz至850kHz之間鎖定，方便與外部時(shí)鐘同步，減少干擾。

2.5 小封裝設(shè)計(jì)

采用32引腳5mm × 5mm QFN封裝，節(jié)省電路板空間。

三、電氣特性詳解

3.1 輸入輸出電壓范圍

• 偏置輸入電源電壓：工作范圍為4.5V至38V。
• 降壓調(diào)節(jié)輸出電壓：設(shè)定點(diǎn)范圍為0.8V至24V。
• 升壓調(diào)節(jié)輸出電壓：設(shè)定點(diǎn)可達(dá)60V。

3.2 反饋電壓與電流

• 降壓調(diào)節(jié)反饋電壓：在0°C至85°C范圍內(nèi)，不同等級(jí)的LTC7812有不同的典型值，如LTC7812E、LTC7812I、LTC7812H的典型值為0.800V。
• 升壓調(diào)節(jié)反饋電壓：同樣在0°C至85°C范圍內(nèi)，典型值為1.200V。
• 反饋電流：約為±50nA。

3.3 睡眠模式與靜態(tài)電流

• 睡眠模式（單通道開啟 - 降壓）：靜態(tài)電流為28至48μA。
• 睡眠模式（單通道開啟 - 升壓）：靜態(tài)電流為33至53μA。
• 睡眠模式（雙通道開啟）：靜態(tài)電流為33至46μA。
• 關(guān)機(jī)模式：靜態(tài)電流為10至20μA。

3.4 其他特性

• 最大占空比：降壓通道在降壓狀態(tài)下最大占空比可達(dá)99%，升壓通道在過壓狀態(tài)下可達(dá)100%。
• 軟啟動(dòng)充電電流：TRACK/SS1和SS2引腳的軟啟動(dòng)充電電流典型值為5μA。
• RUN引腳閾值：RUN1引腳閾值上升時(shí)為1.18至1.32V，RUN2引腳閾值上升時(shí)為1.21至1.33V。

四、工作原理

4.1 主控制回路

LTC7812采用恒定頻率、電流模式控制架構(gòu)。降壓通道（通道1）和升壓通道（通道2）在正常工作時(shí)，外部頂部MOSFET（降壓通道）或底部MOSFET（升壓通道）在時(shí)鐘信號(hào)置位RS鎖存器時(shí)開啟，主電流比較器ICMP復(fù)位RS鎖存器時(shí)關(guān)閉。電感峰值電流由ITH引腳電壓控制，誤差放大器EA比較輸出電壓反饋信號(hào)與內(nèi)部參考電壓，調(diào)整ITH電壓以匹配負(fù)載電流。

4.2 INTVCC / EXTVCC電源

MOSFET驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)部電路的電源來自INTVCC引腳。當(dāng)EXTVCC引腳電壓低于4.7V時(shí)，VBIAS LDO從VBIAS提供5.4V至INTVCC；當(dāng)EXTVCC引腳電壓高于4.7V時(shí)，EXTVCC LDO開啟，從EXTVCC提供5.4V至INTVCC。

4.3 關(guān)機(jī)與啟動(dòng)

通過RUN1和RUN2引腳可獨(dú)立關(guān)閉兩個(gè)通道。當(dāng)RUN1低于1.17V或RUN2低于1.20V時(shí)，對(duì)應(yīng)通道的主控制回路關(guān)閉；當(dāng)兩個(gè)引腳都低于0.7V時(shí)，整個(gè)LTC7812關(guān)閉，靜態(tài)電流降至約10μA。啟動(dòng)時(shí)，TRACK/SS引腳控制輸出電壓的上升，可通過連接外部電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

4.4 輕載電流操作

LTC7812在輕載電流時(shí)可進(jìn)入高效突發(fā)模式（Burst Mode）、恒頻脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。通過PLLIN/MODE引腳選擇不同模式，突發(fā)模式下可降低靜態(tài)電流，提高輕載效率。

4.5 頻率選擇與鎖相環(huán)

通過FREQ引腳可選擇開關(guān)頻率，可將其連接到SGND、INTVCC或通過外部電阻編程。LTC7812還具備鎖相環(huán)（PLL），可將內(nèi)部振蕩器與外部時(shí)鐘同步，同步頻率范圍為75kHz至850kHz。

4.6 升壓控制器特殊情況

• 輸入電壓高于輸出電壓：在強(qiáng)制連續(xù)模式下，輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，頂部MOSFET保持開啟；在脈沖跳躍模式和突發(fā)模式下，根據(jù)不同條件控制TG2的開啟。
• 低SENSE引腳共模電壓：升壓控制器的電流比較器可在低至2.5V的電壓下工作，允許VBIAS連接到升壓控制器的輸出，應(yīng)對(duì)輸入電壓瞬變。

4.7 降壓控制器保護(hù)功能

• 過壓保護(hù)：當(dāng)VFB1引腳電壓高于調(diào)節(jié)點(diǎn)10%時(shí)，頂部MOSFET關(guān)閉，底部MOSFET開啟，直到過壓情況消除。
• 功率良好指示（PGOOD1）：當(dāng)VFB1引腳電壓不在±10%的參考電壓范圍內(nèi)或RUN1引腳為低電平時(shí)，PGOOD1引腳被拉低。
• 過流折返：當(dāng)降壓輸出電壓低于標(biāo)稱值70%時(shí)，啟動(dòng)過流折返，降低峰值電流限制。

五、應(yīng)用信息

5.1 級(jí)聯(lián)Boost + Buck調(diào)節(jié)器

LTC7812可配置為調(diào)節(jié)兩個(gè)獨(dú)立輸出，也可級(jí)聯(lián)為單輸出轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)單電感降壓 - 升壓調(diào)節(jié)器相比，它具有更低的EMI、電壓紋波和更快的瞬態(tài)響應(yīng)，輕載時(shí)效率更高。

5.2 電流傳感

• 低阻值電阻電流傳感：通過RSENSE電阻選擇合適的電流檢測值，電流比較器最大閾值為50mV。
• 電感DCR傳感：適用于高負(fù)載電流應(yīng)用，可提高效率。需根據(jù)電感DCR值選擇外部濾波組件，確保在全工作溫度范圍內(nèi)提供滿載電流。

5.3 電感選擇

電感值與工作頻率和紋波電流相關(guān)。較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)增加MOSFET開關(guān)損耗。一般建議將紋波電流設(shè)置為最大電流的30%，并根據(jù)不同通道的公式計(jì)算電感值。

5.4 功率MOSFET選擇

每個(gè)控制器需選擇兩個(gè)外部N溝道MOSFET，注意其導(dǎo)通電阻、米勒電容、輸入電壓和最大輸出電流等參數(shù)。根據(jù)不同通道的占空比和電流情況計(jì)算MOSFET的功率損耗。

5.5 電容選擇

• 升壓電容：輸入電容CIN的電壓額定值應(yīng)超過最大輸入電壓，其值受源阻抗和占空比影響。輸出電容COUT需考慮ESR和電容值，以降低輸出電壓紋波。
• 降壓電容：CIN根據(jù)最壞情況下的RMS輸入電流選擇，Cout根據(jù)ESR要求選擇，以確保輸出紋波在可接受范圍內(nèi)。

5.6 輸出電壓設(shè)置

通過外部反饋電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，降壓輸出電壓公式為(V{OUT, BUCK }=0.8 V(1+frac{R{B}}{R{A}}))，升壓輸出電壓公式為(V{OUT, BOOST }=1.2 V(1+frac{R{B}}{R{A}}))。

5.7 跟蹤與軟啟動(dòng)

通過TRACK/SS引腳控制輸出電壓的啟動(dòng)過程，可連接電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，也可用于跟蹤其他電源。

5.8 INTVCC調(diào)節(jié)器

LTC7812有兩個(gè)內(nèi)部P溝道低壓差線性調(diào)節(jié)器（LDO），根據(jù)EXTVCC引腳的連接情況為INTVCC提供5.4V電源。當(dāng)EXTVCC電壓高于4.7V時(shí)，VBIAS LDO關(guān)閉，EXTVCC LDO開啟。

5.9 頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器電源

外部自舉電容CB為頂部MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓，通過外部二極管DB充電。升壓通道的頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器包含內(nèi)部電荷泵，可在降壓/過壓條件下保持頂部MOSFET導(dǎo)通。

5.10 故障條件處理

• 降壓電流限制與折返：當(dāng)降壓輸出電壓低于標(biāo)稱值70%時(shí)，啟動(dòng)電流折返，限制短路電流。
• 降壓過壓保護(hù)：當(dāng)降壓輸出電壓過高時(shí)，頂部MOSFET關(guān)閉，底部MOSFET開啟，防止短路。
• 過溫保護(hù)：當(dāng)結(jié)溫超過約170°C時(shí)，過溫保護(hù)電路關(guān)閉INTVCC LDO，使芯片停止工作；當(dāng)結(jié)溫降至約155°C時(shí)，重新開啟。

5.11 鎖相環(huán)與頻率同步

LTC7812的鎖相環(huán)可將TG1和BG1的開啟與外部時(shí)鐘信號(hào)同步，同步頻率范圍為75kHz至850kHz。通過FREQ引腳設(shè)置自由運(yùn)行頻率，可實(shí)現(xiàn)快速鎖相。

5.12 最小導(dǎo)通時(shí)間考慮

最小導(dǎo)通時(shí)間是LTC7812能夠開啟頂部MOSFET（升壓控制器為底部MOSFET）的最短時(shí)間。在低占空比應(yīng)用中，需確保最小導(dǎo)通時(shí)間滿足要求，否則會(huì)導(dǎo)致周期跳變，增加紋波電壓和電流。

5.13 效率考慮

開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率受多種因素影響，主要包括IC VBIAS電流、INTVCC調(diào)節(jié)器電流、(I^{2}R)損耗和頂部MOSFET過渡損耗。通過合理選擇組件和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，可提高效率。

5.14 瞬態(tài)響應(yīng)檢查

通過觀察負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)，可通過ITH引腳信號(hào)評(píng)估閉環(huán)響應(yīng)，優(yōu)化控制環(huán)路行為。

六、典型應(yīng)用案例

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如寬輸入范圍至12V/8A低IQ級(jí)聯(lián)Boost + Buck調(diào)節(jié)器、寬輸入范圍至5V/5A低IQ級(jí)聯(lián)Boost + Buck調(diào)節(jié)器等。這些應(yīng)用展示了LTC7812在不同場景下的性能和優(yōu)勢。

七、總結(jié)

LTC7812作為一款高性能的同步升降壓控制器，具有寬輸入電壓范圍、低功耗、多種電流傳感方式、可鎖相頻率等優(yōu)點(diǎn)，適用于汽車、工業(yè)電源系統(tǒng)和高功率電池供電系統(tǒng)等多種應(yīng)用場景。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體需求合理選擇組件，優(yōu)化電路布局，以充分發(fā)揮LTC7812的性能。希望本文能為電子工程師在使用LTC7812進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用LTC7812的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。