LT8253/LT8253A：汽车USB - C电源传输的理想之选

在电子工程师的日常设计工作中，找到一款性能卓越、功能丰富且适用于特定应用场景的电源控制器至关重要。今天，我们就来深入探讨一下LT8253/LT8253A这款同步4开关降压 - 升压控制器，它在汽车USB - C电源传输领域有着出色的表现。

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一、产品概述

LT8253/LT8253A是专门为汽车USB - C电源传输优化的同步4开关降压 - 升压控制器。当与USB Type - C或PD端口控制器配合使用时，它完全符合USB Power Delivery（PD）规范。该控制器具有以下显著特点：

1. 低EMI架构：采用专有低EMI降压 - 升压架构，有效降低电磁干扰。
2. 宽输入范围：支持4V至40V的宽输入电压范围，适应多种电源环境。
3. 高效同步开关：同步开关效率高达98%，能有效降低功耗。
4. 精准输出调节：输出电压调节精度为±1.5%，确保稳定的输出电压。
5. 单输出支持：单个输出支持一个Type - C端口，功率最高可达100W（LT8253）或60W（LT8253A）。
6. 保护功能齐全：具备过流、过压和短路保护功能，提高系统的可靠性。
7. 封装与认证：采用28引脚侧面可焊QFN封装，并且通过了AEC - Q100汽车应用认证。

二、电气特性

1. 电源参数

• 输入电压范围：4V至40V，可适应不同的电源输入。
• 静态电流：在不同的使能状态下，静态电流有所不同，如在EN/UVLO = 0.3V时为1μA，在EN/UVLO = 1.5V时为2.1mA。
• 输出电压范围：1V至25V，满足多种设备的供电需求。

2. 线性调节器

• INTVcc调节电压：在IINTVcc = 20mA时，调节电压为4.8V至5.2V。
• INTVcc电流限制：LT8253和LT8253A在不同的输入电压下有不同的电流限制值。
• INTVcc欠压锁定阈值：下降阈值为3.44V至3.64V，且具有0.24V的迟滞。

3. 控制输入

• EN/UVLO引脚：用于使能和欠压锁定，关机阈值为0.3V至1V，使能阈值为1.196V至1.244V，且具有13mV的迟滞。
• VOUTEN阈值：1V至1.6V，用于控制输出使能。

4. 误差放大器和电流比较器

• FB调节电压：为0.985V至1.015V，用于输出电压调节和故障保护。
• 最大电流检测阈值：在降压和升压模式下，V(LSP - LSN)的最大电流检测阈值为35mV至65mV。

5. 振荡器

• 振荡频率：LT8253的振荡频率为380kHz至420kHz（VSYNC/SPRD = 0V，RT = 100k），LT8253A为1900kHz至2100kHz（VSYNC/SPRD = 0V，RT = 59.0）。

三、引脚功能

LT8253/LT8253A的引脚功能丰富，每个引脚都在系统中发挥着重要作用：

• BG1和BG2：分别用于驱动降压侧和升压侧底部N沟道MOSFET。
• BST1和BST2：作为降压侧和升压侧的自举浮动驱动器电源，需要外部自举电容。
• EN/UVLO：用于使能和欠压锁定，可通过该引脚控制芯片的工作状态。
• FB：电压环路反馈输入，用于输出电压调节和故障保护。
• INTVcc：内部5V线性调节器输出，为内部控制电路和栅极驱动器供电。
• LSN和LSP：用于电感电流检测，确保准确的电流检测。
• PGOOD：电源良好开漏输出，当FB引脚电压在其调节电压的±10%范围内时，该引脚被拉低。
• RT：用于设置开关频率，通过连接电阻到地来实现。
• SS：软启动定时器设置，通过连接电容到地来控制输出电压的软启动。
• SW1和SW2：分别为降压侧和升压侧的开关节点。
• SYNC/SPRD：用于外部时钟频率同步或扩频，可根据需要进行配置。
• TG1和TG2：分别驱动降压侧和升压侧顶部N沟道MOSFET。
• VC：误差放大器输出，用于补偿控制环路。
• VIN：输入电源，需要通过最小0.1μF陶瓷电容旁路到地。
• VOUT：输出引脚，同样需要通过最小0.1μF陶瓷电容旁路到地。
• VOUTEN：输出使能，控制降压 - 升压开关和输出功率。
• VREF：提供准确的2V参考电压，可提供1mA电流，需要通过0.47μF陶瓷电容旁路到地。

四、工作模式

1. 功率开关控制

LT8253/LT8253A有四种工作状态：

• 降压区域的峰值降压模式：当VIN远高于VOUT时，开关C始终关闭，开关D始终打开，开关A和B交替工作，类似于典型的同步降压调节器。
• 降压 - 升压区域的峰值降压模式：当VIN略高于VOUT时，开关C在预设周期开始时打开，开关D在剩余周期打开，开关A和B根据电感电流情况交替工作。
• 降压 - 升压区域的峰值升压模式：当VIN略低于VOUT时，开关A在预设周期开始时打开，开关B在剩余周期打开，开关C和D根据电感电流情况交替工作。
• 升压区域的峰值升压模式：当VIN远低于VOUT时，开关A始终打开，开关B始终关闭，开关C和D交替工作，类似于典型的同步升压调节器。

2. 主控制环路

该控制器采用固定频率电流模式控制，通过LSP和LSN引脚之间的电感检测电阻来检测电感电流。检测到的电流经过放大器A1增益后，与内部振荡器的斜率补偿斜坡信号相加，然后输入到降压电流比较器A3和升压电流比较器A4的正端。A3和A4的负端由VC引脚的电压控制，以调节FB电压至1V。

3. 轻载电流操作

在轻载情况下，LT8253/LT8253A通常以不连续导通模式运行，以保持调节并提高效率。

4. 关机和上电复位

当EN/UVLO引脚低于关机阈值（最小0.3V）时，芯片进入关机模式，静态电流小于2μA。当EN/UVLO引脚高于关机阈值（最大1V）时，芯片唤醒启动电路，生成带隙参考，并为内部INTVcc LDO供电。当INTVcc引脚充电到高于其上升UVLO阈值（典型3.78V），EN/UVLO引脚通过其上升使能阈值（典型1.233V），且结温低于热关断温度（典型165°C）时，芯片进入使能模式，经过上电复位（POR）后开始切换。

5. 启动和故障保护

启动过程中，SS引脚在POR状态下通过100Ω电阻硬拉到地。在预偏置条件下，SS引脚必须拉到0.2V以下才能进入INIT状态，等待10μs后，当VOUTEN信号变高时进入UP/PRE状态。在UP/PRE状态下，SS引脚由12.5μA上拉电流充电，当SS引脚电压高于0.25V时进入UP/TRY状态，10μs后进入UP/RUN状态。在UP/RUN状态下，开关开启，输出电压的启动由SS引脚电压控制。当SS引脚电压高于1.75V时进入OK/RUN状态，此时激活输出短路检测。当输出短路发生时，芯片进入FAULT/RUN状态，SS引脚由1.25μA下拉电流缓慢放电。当SS引脚电压低于1.7V时进入DOWN/STOP状态，开关关闭，短路检测停用。当SS引脚电压低于0.2V且VOUTEN信号仍为高时，芯片回到UP/RUN状态。通过在SS和VREF引脚之间连接不同阻值的电阻，可设置芯片为打嗝、锁存或持续运行的故障保护模式。

五、应用信息

1. 开关频率选择

LT8253的开关频率范围为150kHz - 650kHz，LT8253A为600kHz - 2MHz。选择开关频率需要在效率和元件尺寸之间进行权衡。低频操作可降低MOSFET开关损耗，提高效率，但需要更大的电感和电容值；高频操作可减小整体解决方案的尺寸，适用于低功率应用。此外，在对噪声敏感的系统中，应选择合适的开关频率以避免干扰敏感频段。

2. 开关频率设置

通过将SYNC/SPRD引脚接地，可通过连接从RT引脚到地的电阻来设置开关频率。文档中提供了LT8253和LT8253A常见开关频率对应的RT电阻值表。

3. 扩频频率调制

为提高电磁干扰（EMI）性能，LT8253/LT8253A采用三角形扩频频率调制方案。将SYNC/SPRD引脚连接到INTVcc，LT8253的开关频率在内部振荡器频率周围±15%范围内扩展，LT8253A在内部振荡器频率之上25%范围内扩展。

4. 频率同步

可使用SYNC/SPRD引脚将开关频率同步到外部时钟，驱动该引脚的波形占空比应在10%至90%之间，50%占空比是最佳选择。

5. 电感选择

电感值与开关频率相关，较高的开关频率允许使用较小的电感和电容值。电感值直接影响纹波电流，最大电流纹波发生在降压区域的VIN(MAX)处，最小电流纹波发生在升压区域的VIN(MIN)处。可根据客户设定的纹波允许值计算最小电感值，同时为保证稳定性，在占空比大于50%时，还需满足一定的电感值要求。选择电感时，应选择低磁芯损耗、低直流电阻且能承受峰值电感电流而不饱和的电感，为减少辐射噪声，可使用屏蔽电感。

6. RSENSE选择和最大输出电流

Rsense根据所需输出电流选择，降压和升压模式下的最大电流检测阈值（50mV）决定了电感的最大峰值电流。可根据不同区域的公式计算最大平均负载电流和最大电流检测电阻值，最终Rsense值应低于降压和升压区域的计算值，并保留20% - 30%的余量，同时应选择低ESL电流检测电阻。

7. 功率MOSFET选择

LT8253/LT8253A需要四个外部N沟道功率MOSFET，选择时需考虑击穿电压VBR(DSS)、阈值电压VGS(TH)、导通电阻RDS(ON)、反向传输电容CRSS和最大电流IDS(MAX)等参数。为实现2MHz的操作，应选择低Qg和低RDS(ON)的高性能功率MOSFET。由于栅极驱动电压由5V INTVcc电源设置，因此应使用逻辑电平阈值MOSFET。同时，需确保所需的INTVcc电流不超过数据手册中的电流限制，通常建议选择Qg小于10nC的MOSFET。为确保在降压、降压 - 升压和升压模式之间的平滑过渡，应选择低RDS(ON)的MOSFET和低DCR的电感。还可根据不同开关的工作模式计算其最大功率损耗，并通过公式计算其结温。

8. CIN和COUT选择

输入和输出电容用于抑制调节器中不连续电流引起的电压纹波，通常采用电容器的并联组合以实现高电容和低等效串联电阻（ESR）。陶瓷电容应靠近调节器的输入和输出放置，以抑制高频开关尖峰。输入电容CIN在降压区域需要处理最大RMS电流，可根据公式计算其RMS电流；输出电容Cout在升压区域需要降低输出电压纹波，需考虑ESR和大容量电容的影响，可根据公式计算最大稳态纹波。

9. INTVcc调节器

内部P沟道低压差调节器从VIN电源引脚产生5V的INTVcc电压，为内部电路和栅极驱动器供电。INTVcc调节器必须通过最小4.7μF陶瓷电容旁路到地，以提供MOSFET栅极驱动器所需的高瞬态电流。在高输入电压、大MOSFET和高开关频率的应用中，可能会导致芯片结温超过最大额定值，需要考虑系统电源电流和INTVcc的额外外部负载对功耗的影响，并通过公式估算结温。

10. 顶部栅极MOSFET驱动器电源

顶部MOSFET驱动器TG1和TG2由各自的SW和BST引脚电压驱动，自举电压由浮动自举电容CBST1和CBST2提供，这些电容通常在顶部MOSFET关闭时通过内部自举二极管充电。自举电容需要存储大约100倍顶部开关A和D所需的栅极电荷，在大多数应用中，0.1μF至0.47μF、X5R或X7R介质的电容即可满足要求。

11. 编程VIN UVLO

通过从VIN到EN/UVLO引脚的电阻分压器实现VIN欠压锁定（UVLO），EN/UVLO使能下降阈值为1.220V，具有13mV的迟滞，且该引脚在电压低于1.220V时会吸收2.5μA电流，可根据电阻值实现用户可编程的迟滞。

12. 编程输出电压和阈值

通过FB引脚和R3、R4电阻可设置输出电压，同时FB引脚还可设置输出过压阈值、输出功率良好阈值和输出短路阈值。

13. 电源GOOD（PGOOD）引脚

PGOOD是一个开漏状态引脚，当VFB在1.00V调节电压的±10%范围内时，该引脚被拉低，可通过外部电阻上拉到INTVcc或最高6V的外部电压源。

14. 软启动和短路保护

SS引脚可通过连接外部电容到地来编程输出电压的软启动，内部12.5μA上拉电流对电容充电，使输出电压平滑上升。SS引脚还可作为故障定时器，通过在SS引脚和VREF引脚之间连接不同阻值的电阻，可设置芯片为打嗝、锁存或持续运行的故障保护模式。

15. 环路补偿

LT8253/LT8253A使用内部跨导误差放大器，其输出VC用于补偿控制环路。外部电感、输出电容以及补偿电阻和电容决定了环路的稳定性，可根据性能、尺寸和成本选择电感和输出电容，并设置VC引脚的补偿电阻和电容以优化控制环路的响应和稳定性。

16. 效率考虑

开关调节器的功率效率等于输出功率除以输入功率乘以100%。LT8253/LT8253A电路中的主要损耗来源包括DC I²R损耗、过渡损耗、INTVcc电流、CIN和COUT损耗以及其他损耗（如肖特基二极管损耗、电感磁芯损耗和反向恢复电流损耗）。在调整以提高效率时，输入电流是效率变化的最佳指标，若输入电流减小，则效率提高。

17. PC板布局清单

PC板布局需要专用的接地平面层，对于大电流应用，多层板可为功率组件提供散热。接地平面层应无走线，并尽可能靠近功率MOSFET层。应将CIN、开关A、开关B和DB放置在一个紧凑区域，将COUT、开关C、开关D和DD放置在另一个紧凑区域，使用直接过孔将组件连接到接地平面，每个功率组件使用多个大过孔。使用平面来维持良好的电压滤波并降低功率损耗，将所有未使用的区域用铜填充，以降低功率组件的温度上升，并将铜区域连接到任何直流网络（VIN或GND）。分离信号和功率接地，所有小信号组件应从底部返回暴露的GND焊盘，然后在靠近开关B和开关C的源极处连接到功率GND。将开关A和开关C尽可能靠近控制器放置，保持PGND、BG和SW走线短。将高dV/dT的SW1、SW2、BST1、BST2、TG1和TG2节点远离敏感小信号节点。开关A、开关B、DB和CIN电容形成的路径以及开关C、开关D、DD和COUT电容形成的路径应具有短引线和PCB走线长度。输出电容的（ - ）端子应尽可能靠近输入电容的（ - ）端子连接。将顶部驱动器自举电容CBST1紧密连接到BST1和SW1引脚，将顶部驱动器自举电容CBST2紧密连接到BST2和SW2引脚。将输入