深入剖析LTC7825：高性能开关电容DC/DC转换器的卓越之选

在电子设计领域，DC/DC转换器是至关重要的组件，它能高效地实现电压转换，满足不同电路的供电需求。今天，我们就来深入探讨凌力尔特（现ADI）推出的一款优秀的DC/DC转换器——LTC7825。

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一、LTC7825概述

LTC7825是一款完全集成的单片式DC/DC转换器，采用开关电容架构，在输入输出电压比为2:1的应用中能实现极高的效率。它具有诸多出色的特性，适用于消费电子、工业应用以及电池应用等多个领域。

特性亮点

1. 宽电压范围：(V{HIGH } / V{LOW }) 电压范围从0V/0V到24V/12V，(V_{CC}) 电源范围从4.5V到38V，能适应多种不同的电源环境。
2. 高效率：在10A负载下效率高达97%，大大降低了能量损耗，提高了系统的整体效率。
3. 保护功能齐全：具备输入过压保护、输入输出短路保护、浪涌电流限制和保护等功能，有效保障了电路的安全稳定运行。
4. 可编程工作频率：工作开关频率可在100kHz到1.4MHz之间线性编程，方便工程师根据具体应用需求进行调整。

二、电气特性分析

电压参数

LTC7825的(V{CC}) 偏置电压范围为4.5V - 40V，(V{HIGH}) 电压范围为0 - 25V，(V_{LOW}) 电压范围为0 - 12.5V。这些参数为其在不同电压环境下的应用提供了广阔的空间。

电流参数

在正常工作时，(V{CC}) 电源电流在不同条件下有所不同，如(V{RUN } = 0V) 时为20μA，(V{RUN } = 5V) 且无开关操作时为3mA。此外，还规定了各种引脚的电流参数，如(I{Q})、(I{SOURCE})、(I{SINK}) 等，这些参数对于电路的设计和性能评估至关重要。

其他参数

包括MOSFET导通电阻、振荡器频率范围、故障和滞回编程相关参数等，这些参数共同决定了LTC7825的性能和功能。例如，顶部两个MOSFET的导通电阻(R{DS(ON)1,2}) 典型值为8mΩ，底部两个MOSFET的导通电阻(R{DS(ON) 3,4}) 典型值为6mΩ，(V{OUT}) MOSFET的导通电阻(R{DS(ON) 5}) 典型值为2.5mΩ，低导通电阻有助于降低功率损耗，提高效率。

三、引脚功能详解

LTC7825采用28引脚的4mm × 5mm LGA（LQFN）封装，每个引脚都有其特定的功能。

1. 电源和电压输入引脚：(V{HIGH}) 和 (V{LOW}) 分别为开关电容转换器的高侧和低侧电压输入，通过连接合适的电容可以实现高效运行。
2. 开关节点引脚：SWH和SWL为高侧和低侧开关节点，连接到飞跨电容，用于实现电压转换。
3. 控制和信号引脚：RUN引脚用于数字运行控制，控制转换器的启动和关闭；FREQ引脚用于设置工作频率；FAULT引脚为开漏输出，当出现故障时会被拉低。
4. 电源和偏置引脚：(V{CC}) 为驱动器和内部充电电路提供电源，(INTV{CC}) 为内部线性低压差稳压器的输出，为驱动器和控制电路供电，(EXTV{CC}) 为外部电源输入，可在满足一定条件时为(INTV{CC}) 供电。

四、工作原理

主控制

LTC7825是一款恒频、开环开关电容/电荷泵转换器。在稳态运行时，内部开关不断导通和关断，使飞跨电容在SWH和SWL之间与(V{LOW}) 电容并联或串联。通过这种方式，(V{LOW}) 引脚电压始终接近(V_{HIGH}) 电压的一半，并且由于其在高开关频率下具有极低的输出阻抗，对可变负载不敏感。

电源供应

内部四路N沟道MOSFET驱动器和大多数内部电路的电源来自(INTV{CC}) 引脚。通常，内部4.5V线性稳压器从(V{CC}) 提供(INTV{CC}) 电源。当(V{CC}) 连接到高输入电压时，可将可选的外部电压源连接到(EXTV{CC}) 引脚，通过另一个4.5V线性稳压器从(EXTV{CC}) 引脚提供(INTV_{CC}) 电源。

启动和关闭

当RUN引脚被拉低时，LTC7825进入关机模式，此时大多数内部电路关闭，功耗小于30μA。释放RUN引脚后，内部1μA电流将该引脚拉高，使转换器启动。

故障保护和热关断

LTC7825会持续监测系统的电压、电流和温度，当出现故障时，会停止开关操作并将FAULT引脚拉低。要清除故障，需要满足相应的条件，如(V{LOW}) 电压在(V{HIGH} / 2) 附近的编程窗口内，(V_{HIGH}) 电压低于26V等。

过流保护

在稳态运行时，(V{LOW}) 电压会随着负载电流的增加而线性下降。通过选择不同的(V{Low}) 到 (V_{HIGH} / 2) 窗口（由HYS_PRGM引脚控制）可以设置过流保护。当触发过流故障时，LTC7825会停止开关操作并尝试重新启动。

频率选择

开关频率的选择需要在效率和组件尺寸之间进行权衡。低频操作可以通过减少MOSFET开关损耗来提高效率，但需要更大的电容来保持低输出纹波电压和低输出阻抗。FREQ引脚可用于将转换器的工作频率编程为100kHz到1.4MHz。

五、应用信息

典型应用电路

数据手册首页的典型应用是一个LTC7825电压 divider电路，该电路能将(V{HIGH}) 电压以2:1的降压比转换为(V{LOW}) 电压，并在稳态运行时提供12A的负载电流。在过流或启动条件下，转换器会自动将(V_{HIGH}) 电源峰值电流限制为200mA，以实现热保护。

电压预平衡

在电压分压应用中，LTC7825可以实现软启动，以最小化所有初始条件下的浪涌电流。飞跨电容和(V{LOW}) 电容的电压会在内部预充电到(V{HIGH}) 电压的一半，启动时的预充电电流约为200mA。通过TIMER引脚可以控制预充电时间，预充电仅在(0.5 < V_{TIMER } < 1.0 V) 时启用。

窗口比较器编程

在稳态运行时，(V{LOW}) 电压应始终接近(V{HIGH} / 2)。浮动窗口比较器会监测(V{LOW}) 引脚的电压，并将其与(V{HIGH} / 2) 进行比较。窗口滞回电压可以通过HYS_PRGM引脚进行编程，其值等于HYS_PRGM引脚电压的五分之一。

输出电阻和负载调节

LTC7825不通过反馈闭环系统调节输出电压，但在稳态运行时，(V{LOW}) 电压非常接近(V{HIGH}) 电压的一半。由于(V{HIGH}) 到 (V{LOW}) 的(R{DS(ON)}) 电阻仅为20mΩ - 30mΩ（取决于开关频率和(C{FLY}) 和 (C_{LOW}) 的电容值），输出电阻非常低。

电源和旁路电容

LTC7825具有一个PMOS LDO，从(V{CC}) 电源为(INTV{CC}) 供电。(EXTV{CC}) 通过另一个PMOS LDO连接到(INTV{CC})，当(EXTV{CC}) 电压高于5V且(V{CC}) 高于6V时，可以提供所需的电源。两个LDO都需要通过至少4.7μF的陶瓷电容或低ESR电解电容旁路到地，以提供MOSFET栅极驱动器所需的高瞬态电流。

输入输出电容和飞跨电容选择

在高功率开关电容应用中，建议使用低ESR陶瓷电容作为飞跨电容和输入/输出电容。输入电容的RMS电流约为负载电流的一半，需要根据最大负载条件进行选择。

PCB布局检查

在进行PCB布局时，需要确保暴露焊盘(SGND / N{LOW } N{OUT }) 与PCB上的相应引脚牢固连接，所有电容(C{FLY} / C{LOW} / C{OUT}) 靠近IC，(INTV{CC}) 旁路电容靠近IC连接在(INTV{CC}) 和接地平面之间，PCB走线足够宽以处理大负载电流，多层板上(V{HIGH } N_{OUT } / P G N D) 平面有足够的热过孔。

六、设计示例

以一个电压分压应用为例，假设(V{IN } = 12 ~V ~ 20 ~V)，(V{OUT } = 6 ~V ~ 10 ~V)，(I_{OUT } = 10 ~A)。

1. 开关频率选择：开关频率的选择需要在开关损耗和解决方案尺寸之间进行权衡。在大多数应用中，最佳开关频率约为300kHz - 600kHz，因此选择500kHz作为起始点。
2. 飞跨电容选择：选择飞跨电容时，要使飞跨电容在满载条件下的纹波电压约为100mV。根据公式(C{F L Y}=frac{I{OUT }}{2 cdot f{SW } cdot C{FLYRIPPLE }}) 计算得到(C{FLY} = 100 μF)。考虑到陶瓷电容在10V直流偏置电压下的电容降额，选择十二个10μF/X7R电容并联作为飞跨电容。
3. 输入/输出电容选择：输入/输出电容的选择与飞跨电容类似，输出电容数量越多，输出电压纹波越小，效率越高。一般来说，输入/输出电容的数量可以从飞跨电容数量的一半开始选择。

七、总结

LTC7825是一款功能强大、性能卓越的开关电容DC/DC转换器，具有宽电压范围、高效率、多种保护功能和可编程工作频率等优点。通过合理的设计和布局，可以充分发挥其优势，满足不同应用场景的需求。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用要求，仔细选择参数和组件，确保电路的稳定性和可靠性。大家在使用LTC7825进行设计时，是否也遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。