LT8471：一款高性能双拓扑DC/DC转换器的深度解析

在电子设计领域，DC/DC转换器是不可或缺的重要组件，它能实现不同电压之间的转换，为各种电子设备提供稳定的电源。今天我们要深入探讨的是Linear Technology公司的LT8471双拓扑DC/DC转换器，它具有独特的性能和丰富的功能，能满足多种应用场景的需求。

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一、产品概述

LT8471是一款双PWM DC/DC转换器，集成了两个内部2A、50V开关和一个额外的500mA开关，可实现降压和反相转换。每个2A通道都能独立配置为降压（Buck）、升压（Boost）、SEPIC、反激（Flyback）或反相转换器，能从单个输入轨生成正输出和负输出，非常适合许多本地电源设计。

主要特性

1. 多通道与高电流能力：具备双2A和一个500mA的内部功率开关通道，2A主通道可实现多种拓扑结构的DC/DC转换，500mA的Skyhook通道能高效生成升压输入电压。
2. 宽输入电压范围：输入电压范围为2.6V至50V，能适应不同的电源环境。
3. 可编程功能：具有可编程的欠压锁定（UVLO）和过压锁定（OVLO）功能，每个通道的软启动也可进行编程。
4. 频率控制：采用固定频率PWM控制，可通过RT引脚设置频率或同步到外部时钟，反相开关能降低输入纹波。
5. 多种封装形式：提供20引脚TSSOP和28引脚QFN封装，方便不同的应用需求。

二、引脚功能与工作原理

引脚功能

LT8471的引脚众多，每个引脚都有其特定的功能：

• C1、C2：主内部NPN功率开关的集电极引脚，若连接直流电压需进行本地旁路；若为开关引脚，应尽量减小连接的走线面积以降低EMI。
• C3：Skyhook通道的集电极引脚，使用Skyhook通道时需减小连接的金属走线面积；不使用时将其接地。
• E1、E2：主内部NPN功率开关的发射极引脚，除非接地，否则应减小连接的走线面积以降低EMI。
• FB1、FB2：主通道的反馈引脚，通过连接电阻分压器来设置输出电压。
• GND：接地引脚，所有接地引脚都需直接焊接到本地接地平面，封装的外露焊盘提供与接地的电气连接和良好的热接触。
• OV/UV：过压/欠压引脚，连接到1.215V（典型值）或更高电压可启用设备，接地则关闭设备，可通过连接外部电阻分压器配置为UVLO和OVLO。
• PG1、PG2：电源正常引脚，连接上拉电阻，当相应输出电压低于目标输出电压的7.5%时，引脚被拉低；当输出电压高于目标电压的92.5%时，引脚驱动器关闭，指示输出电压正常。
• RT：定时电阻引脚，通过连接电阻到地来设置开关频率。
• SHOUT：Skyhook输出电压引脚，是内部肖特基二极管的阴极和Skyhook升压转换器的输出。
• SS1、SS2：软启动引脚，连接软启动电容，启动时通过250k电阻充电至约2.15V。
• SYNC：同步引脚，连接外部时钟可同步开关频率，高电平需超过1.3V，低电平应低于0.4V；驱动该引脚低于0.4V可恢复内部自由运行时钟。
• VIN1：输入电源引脚1，为主通道1和Skyhook通道供电，也为所有通道的其他电路提供电源，电压需大于2.6V，且需进行本地旁路。
• VIN2：输入电源引脚2，为主通道2供电，使用通道2时电压需大于2.6V，同样需进行本地旁路。

工作原理

主通道

两个主通道可独立配置为多种DC/DC转换器，采用恒定频率、电流模式控制方案进行线路和负载调节。通道1的时钟与内部振荡器或SYNC引脚同相，通道2的时钟与通道1的时钟大约相差180°，以减少瞬态开关尖峰。在每个时钟相位开始时，SR锁存器置位，打开相应通道的内部功率开关；放大器和比较器监测开关电流，当电流达到由VC1/VC2电压确定的水平时，关闭开关。误差放大器通过外部电阻分压器测量输出电压，并调节VC1/VC2电压，从而控制输出电流。主通道还包含电源正常比较器，当相应FB引脚电压达到其调节值的92.5%时触发。

Skyhook通道

当通道配置为降压、ZETA或单电感反相转换器时，Skyhook通道为相应的VIN引脚提供升压电压，以满足NPN功率开关的基极电流需求。Skyhook是一个恒定频率、电压模式升压转换器，集成了肖特基二极管，其输出SHOUT被调节到比C2引脚电压高约4.25V。若不需要Skyhook通道，可将C3引脚接地以减少VIN1的电流消耗。

启动操作

LT8471提供了多种功能以实现干净的启动：

• OV/UV引脚监测：内部电压参考监测OV/UV引脚电压，提供精确的开启电压范围，可通过外部电阻或电阻分压器实现可编程的欠压和过压锁定功能。
• 软启动电路：为主通道的开关电流和Skyhook通道的占空比提供逐渐上升的功能。启动时，外部SS电容先放电，然后通过内部250k电阻将SS引脚充电至约2.15V，通过连接外部电容可设置引脚的电压上升速率。
• 频率折返：当相应FB引脚电压低于特定阈值时，主通道的开关频率会折返2、4或8倍，减少最小占空比，便于在启动时更好地控制开关电流，同时在折返期间禁用斜率补偿功能以增加可输出的电流。

热关断操作

当器件温度超过约164°C时，热关断电路会触发，SR21和SR22锁存器置位；温度下降到约162.5°C以下后，将启动完整的软启动周期，保护功率开关和外部组件。

三、应用信息

输入电源要求

在低侧配置中，E引脚通常接地，C引脚切换，相应通道的VIN需在2.6V至40V范围内。高侧配置要求C引脚连接到正直流电压源，E引脚切换，通道的VIN引脚应比相应C引脚高至少2.2V（典型值），以提供足够的驱动电压给NPN功率开关。VIN1是LT8471的主电源，为通道1、Skyhook通道和大部分内部控制及偏置电路供电；VIN2为通道2供电，仅在使用通道2时需要供电。

开关配置与Skyhook调节器

主通道的NPN功率开关可采用低侧或高侧配置。低侧连接时，功率开关在电感的低电压侧；高侧连接时，功率开关在电感的高电压侧。Skyhook升压调节器可在需要时为高侧开关拓扑提供额外的VIN电压，其输出SHOUT被调节到比C2引脚电压高约4.25V。

内部欠压锁定

LT8471会监测VIN1和VIN2的电源电压，当检测到VIN1电压低时，所有功率开关停用，SS1和SS2的软启动电容放电；VIN1电压恢复后，通道1的功率开关重新启用，SS1开始充电。当检测到VIN2电压低时，通道2的功率开关停用，SS2的软启动电容放电；VIN1和VIN2电压都恢复后，通道2的功率开关重新启用，SS2开始充电。

振荡器与时钟同步

内部自由运行振荡器可设置LT8471的工作频率，当SYNC引脚驱动为低电平（<0.4V）时，工作频率由RT引脚到地的电阻决定，计算公式为 (f{osc}=frac{85.5}{R{T}+1}) （ (f{osc}) 单位为MHz， (R{T}) 单位为kΩ）。也可将LT8471的工作频率同步到外部时钟源，只需将数字时钟信号输入SYNC引脚，SYNC信号的占空比需在35%至65%之间，频率需在100kHz至2MHz范围内，且不应低于自由运行振荡器频率的25%。

软启动

LT8471的软启动电路可限制启动时的峰值开关电流。通过在SS1和SS2引脚连接外部电容（通常为100nF至1μF），在器件激活后，内部250k电阻将电容缓慢充电至约2.15V。SS1引脚电压低于约0.8V时，会降低Skyhook通道的占空比；低于约1.4V时，会降低通道1的电流限制。SS2引脚电压低于约1.4V时，会降低通道2的电流限制，从而实现输出电容的缓慢充电，限制启动电流。

关机

OV/UV引脚用于启用和禁用芯片，当OV/UV电压低于1.215V（典型值）时，开关活动禁用；低于300mV时，静态电流极低，芯片完全关机；电压在1.215V至1.37V之间时，芯片正常工作。OV/UV引脚内部钳位至约1.37V，应通过电阻连接以限制电流。

输出电压设置

主通道的输出电压可通过在输出和FB引脚之间连接电阻分压器进行编程，计算公式为 (R{A}=R{B} cdotleft(frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right)) ，其中 (V_{FB}) 为反馈电压（正输出电压典型值为0.789V，负输出电压为 -0.788V）。

启动顺序

通过将一个主通道的PG引脚连接到另一个通道的SS引脚，可实现输出的启动顺序控制。例如，将PG1连接到SS2，可使通道1的输出在启动时先于通道2的输出。若同时使用电源启动顺序和Skyhook通道，需根据具体情况进行连接。

功率开关占空比

为保持环路稳定性并向负载提供足够的电流，内部功率开关的占空比不能达到100%，最大允许占空比计算公式为 (DC{MAX }=left(frac{T{P}-MIN{(OFF) TIME }}{T{P}}right) cdot 100 %) ，其中 (T{P}) 为时钟周期， (MIN {(OFF)TIME }) 典型值为170ns。不同拓扑结构的占空比计算公式也不同，设计应用时应确保稳态占空比不超过 (DC_{MAX}) 。

电感选择

一般准则

LT8471的高频操作允许使用小尺寸的表面贴装电感。为提高效率，应选择具有高频核心材料（如铁氧体）的电感，以减少核心损耗；选择体积较大的电感，以降低DCR（铜线电阻），减少 (I^{2}R) 损耗；电感应能承受峰值电感电流而不发生饱和；为减少辐射噪声，可使用环形或屏蔽电感。

最小电感

选择电感时，需考虑提供足够的负载电流和避免次谐波振荡两个条件。提供足够负载电流时，不同拓扑结构的最小电感计算公式不同；避免次谐波振荡时，当占空比大于50%，电感需满足一定的最小值要求。

最大电感

过大的电感会降低电流纹波，使电流比较器难以区分，导致占空比抖动和调节性能变差。最大电感可根据不同拓扑结构的公式进行计算。

最大电流额定值

电感必须能够承受峰值工作电流，以防止电感饱和导致效率降低。不同拓扑结构的峰值输入电感电流计算公式不同，且在负载瞬变和启动时，电感电流可能会更高。

电容选择

主通道的输出应使用低ESR（等效串联电阻）电容，以最小化输出纹波电压，多层陶瓷电容是不错的选择，X5R或X7R电介质更优。输入去耦电容也应使用低ESR电容，陶瓷电容是合适的选择。

补偿理论

主通道需要进行补偿以实现稳定和高效的运行，采用两个反馈回路，快速电流回路无需补偿，慢速电压回路需要补偿。电压回路补偿网络集成在LT8471内部，可通过标准的波特图分析来调整电压反馈回路。

二极管选择

建议使用肖特基二极管，其具有低正向电压降和快速开关速度。每个主通道需要一个外部二极管作为第二个开关，正常运行时的平均正向电流可根据公式 (ID(AVG)=I{OUT } cdot(1-DC)) 计算，应选择能够承受至少 (I{D(AVG)}) 的二极管，并考虑其寄生电容和反向泄漏电流。

Skyhook配置要求

Skyhook为高侧配置的通道提供升压VIN电压，高侧通道的C引脚连接到正直流电压源，E引脚切换，VIN引脚应比相应C引脚高至少2.2V。Skyhook输出SHOUT被调节到比C2引脚电压高约4.25V，可连接到相应的VIN引脚。若不需要Skyhook通道，可将C3引脚接地以减少VIN1的电流消耗。

电容和二极管选择（Skyhook）

Skyhook输出应使用低ESR电容，陶瓷电容是不错的选择，电容值会影响稳定性。Skyhook有内置的肖特基二极管，在负载电流较高时，可连接外部肖特基二极管以提高性能。Skyhook通道的输出电流可根据公式 (OUT cong frac{left(V{C C}+4.25 Vright) cdotleft(I{OUT 1} cdot D C{1}+I{OUT 2} cdot DC{2}right)}{beta cdot V{C C} cdot eta}) 进行估算。

电感选择（Skyhook）

Skyhook升压转换器的电感选择需考虑提供足够的负载电流、避免功率开关电流过冲和保持良好的环路稳定性三个条件。最小电感可根据不同情况进行计算，同时应选择饱和电流为500mA或更高的电感，以避免电感饱和。

补偿（Skyhook）

Skyhook内部进行补偿，环路稳定性可通过电感和输出电容进行调整。在大多数应用中，使用15μH的Skyhook电感和0.47μF的输出电容可获得良好的稳定性。根据具体情况，可通过调整输出电容和电感的值来改善性能。

热考虑

为使LT8471能够提供全输出功率，需要提供良好的热路径来散发封装内产生的热量。可利用IC底部的散热垫，在印刷电路板上使用多个过孔将热量传导到尽可能大的铜平面上。

功率和热计算

LT8471芯片的功率损耗主要来自开关 (I^{2}R) 损耗、开关动态损耗、NPN基极驱动直流损耗和杂散输入电流损耗。可根据具体应用的参数计算功率损耗，并使用公式 (T{J}=T{A}+theta{J A} cdot P{TOTAL }) 计算芯片的结温，其中 (T{J}) 为结温， (T{A}) 为环境温度， (P{TOTAL}) 为总功率损耗， (theta{JA}) 为热阻。

热锁定

当芯片温度超过164°C时，会进入热锁定状态；温度下降约1.5°C后，故障条件解除。

VIN斜坡率

启动开关转换器应用时，应限制VIN的斜坡率，高斜坡率可能导致转换器的无源组件产生过大的浪涌电流，损坏组件或芯片。建议斜坡率小于500mV/μs，并避免热插拔。

布局指南

布局时需注意实现最佳的电气、热和噪声性能，高速开关电流路径应尽可能短，以减少辐射和传导噪声。每个通道的高速开关电流通过特定的组件形成回路，应尽量减小回路面积，同时使用接地平面防止平面间耦合和整体噪声，但开关引脚连接的平面下不应有接地平面，以减小开关引脚的杂散电容。电路板布局对热阻也有显著影响，应充分利用封装的外露接地垫，提供尽可能大的铜面积，并在垫周围添加多个过孔连接到接地平面。

四、典型应用

文档中给出了多个典型应用电路，如宽输入范围降压转换器与升压转换器组合、跟踪±12V电源、宽输入范围±5V输出转换器、升压转换器与降压转换器组合等。这些应用电路展示了LT8471在不同场景下的具体应用，通过合理选择组件和参数，可实现稳定的电源输出。

五、总结

LT8471作为一款高性能的双拓扑DC/DC转换器，具有丰富的功能和出色的性能。在设计应用时，需要综合考虑输入电源要求、开关配置、电感和电容选择、补偿等多个方面，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，合理的布局和热管理也是实现良好性能的关键。希望本文能为电子工程师在使用LT8471进行设计时提供有价值的参考。你在使用LT8471的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。