LTC3870：多相降压从控制器的卓越之选

在电子工程领域，对于高功率分布式电源系统、电信系统以及工业应用等场景，如何高效、稳定地提供大电流输出是一个关键问题。Linear Technology公司的LTC3870多相降压从控制器，为解决这一问题提供了出色的解决方案。

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一、LTC3870的特性亮点

（一）强大的兼容性与扩展性

LTC3870作为LTC3880系列的相位扩展器，能够与LTC3880/3880 - 1、LTC3883/3883 - 1、LTC3886、LTC3887等主控制器完美配合。并且，它支持多芯片级联，可满足非常大电流的应用需求，在高功率场景下表现卓越。

（二）宽范围的工作参数

• 输入电压范围：支持4.5V至60V的宽输入电压范围（(V_{IN})），适应多种电源环境。
• 输出电压范围：输出电压范围为0.5V至14V，能够满足不同负载的电压需求。
• 同步频率范围：同步频率范围从100kHz到1MHz，可灵活调整开关频率，以平衡效率和组件尺寸。

（三）灵活的可编程特性

• 工作模式：可通过引脚编程选择CCM（连续导通模式）或DCM（不连续导通模式），满足不同应用场景下对效率和输出纹波的要求。
• 相移控制：引脚可编程实现相移控制，优化多相操作时的电流分配。

（四）集成的强大驱动

内部集成了强大的N沟道MOSFET栅极驱动器，能够有效驱动外部MOSFET，减少外部元件数量，简化电路设计。

（五）小巧的封装形式

采用28引脚（4mm × 5mm）QFN封装，体积小巧，节省电路板空间，适用于对空间要求较高的应用。

二、电气特性解析

（一）输入输出电压范围

输入电压范围为4.5V至60V，输出电压范围为0.5V至14V，这使得LTC3870能够适应多种电源和负载条件。在实际应用中，需要根据具体的电源和负载要求来选择合适的输入输出电压。

（二）电源电流

在不同的工作状态下，LTC3870的电源电流有所不同。当(V{RUN0})、(V{RUN1}=0V)时，输入电压供应电流为1.1mA；在正常工作状态下（(V{RUN0})、(V{RUN1}=3.3V)，且TG和BG上无电容），电流为2.6mA。

（三）欠压锁定阈值

当(V{IN}>4.2V)时，欠压锁定阈值（(V{UVLO})）在(V_{INTVCC})下降和上升时分别为3.7V和4.0V，确保在电源电压不稳定时，芯片能够可靠地锁定或解锁。

（四）控制环路参数

电流检测引脚（(I{ISENSE0 +})、(I{ISENSE1 +})、(I{ISENSE0 –})、(I{ISENSE1 –})）的电流在(V{ISENSE0,1 +}=3.3V)时，典型值为±0.1µA，最大值为±1µA。最大电流检测阈值分为高范围和低范围，分别对应不同的(I{TH})电压和(I_{LIM})设置。

（五）栅极驱动器参数

TG和BG的上拉和下拉导通电阻分别为2.5Ω、1.5Ω、2.4Ω和1.1Ω，上升和下降时间在负载电容为3300pF时约为30ns，上下栅极之间的延迟时间也约为30ns，最小导通时间约为90ns。

（六）内部(V_{CC})调节器

内部(V{CC})电压在不同条件下保持稳定。当无负载且(6.0V < V{IN} < 60V)、(V{EXTVCC}=0V)时，(V{INTVCC})为4.85V至5.35V；当(V_{EXTVCC}=8.5V)时，同样保持在该范围内。负载调节率在不同负载电流下也能满足要求。

（七）振荡器和锁相环

振荡器同步范围为100kHz至1000kHz，同步输入阈值在下降和上升时分别为0.4V和2.0V。标称频率在(V_{FREQ}=1.0V)时为500kHz，FREQ设置电流为9µA至11µA。SYNC与通道0和通道1的相位关系可通过PHASMD引脚进行设置。

（八）数字输入参数

数字输入引脚（RUN0/RUN1、MODE0/MODE1、FAULT0 / FAULT1）的输入高阈值电压为2.0V，输入低阈值电压为1.4V。

三、典型性能特性

（一）效率与负载电流关系

从效率与负载电流的曲线可以看出，在不同的输出电压和开关频率下，LTC3870在CCM和DCM模式下的效率表现不同。一般来说，在轻负载时，DCM模式的效率较高；而在重负载时，CCM模式的效率更优。

（二）负载阶跃响应

在4相操作中，LTC3870与LTC3880配合，能够快速响应负载的阶跃变化，保持输出电压的稳定。无论是在不连续导通模式还是强制连续模式下，都能提供良好的动态性能。

（三）启动到预偏置输出

在启动到预偏置输出的过程中，LTC3870能够在不放电输出电容的情况下启动，通过配置为DCM模式可以实现这一功能。

（四）电流检测阈值与(I_{TH})电压关系

电流检测阈值与(I{TH})电压呈线性关系，不同的电流范围（高范围和低范围）对应不同的斜率。通过设置(I{LIM})引脚，可以选择合适的电流范围。

（五）(INTV_{CC})线性调节

(INTV_{CC})电压在不同输入电压下保持相对稳定，线性调节率在一定范围内满足要求。

（六）直流输出电流匹配

LTC3870与LTC3880之间的直流输出电流匹配良好，能够实现均衡的负载分配。

（七）负载瞬态时的动态电流共享

在4相操作的负载瞬态过程中，LTC3870能够与主控制器协同工作，实现动态电流共享，确保系统的稳定性。

（八）静态电流与输入电压关系

在没有(EXTV_{CC})的情况下，静态电流随着输入电压的变化而变化。在实际应用中，需要根据输入电压和负载情况来评估功耗。

四、引脚功能详解

（一）MODE0/MODE1

用于控制DCM/CCM模式。当引脚为逻辑高电平时，通道0/通道1工作在强制连续模式；默认情况下，内部有500kΩ下拉电阻，通道工作在不连续模式。

（二）ISENSE0+/ISENSE1+和ISENSE0−/ISENSE1−

分别为电流检测比较器的正、负输入，通常连接到DCR传感网络或电流传感电阻的相应节点。

（三）RUN0/RUN1

使能输入引脚，逻辑高电平使能相应通道。在多相操作中，连接到主控制器的RUN引脚。

（四）(I{TH 0} / I{TH 1})

电流控制阈值引脚，每个通道的电流比较器跳闸阈值随其(I{TH})电压增加而增加。在多相操作中，连接到主控制器的(I{TH})引脚以实现电流共享。

（五）ILIM

用于编程电流比较器的感测电压范围。可将其连接到SGND或(INTV _{CC})，选择每个电流比较器的最大电流检测阈值。

（六）SYNC

外部时钟同步输入引脚。如果该引脚有外部时钟，开关频率将同步到外部时钟的下降沿。在多相操作中，连接到主控制器的SYNC引脚进行频率同步。

（七）PHASMD

相位设置引脚，可连接到SGND、(INTV {CC})或从(INTV {CC})到SGND的电阻分压器，确定外部时钟与内部控制器之间的相对相位。

（八）TG0/TG1

顶部栅极驱动器输出，输出电压摆幅等于(INTV _{CC})叠加在开关节点电压上。

（九）SW0/SW1

开关节点连接到电感，电压摆动范围从肖特基二极管（外部）电压降低于地到(V_{IN})。

（十）BOOST0/BOOST1

升压浮动驱动器电源，自举电容的(+)端连接到这些引脚，电压摆动范围从(INTV {CC})以下的二极管电压降上升到(V{IN}+INTV_{CC})。

（十一）BG0/BG1

底部栅极驱动器输出，驱动底部N沟道MOSFET的栅极，电压范围在PGND和(INTV _{CC})之间。

（十二）(INTV _{CC})

内部调节器5V输出，为内部控制电路供电。需用至少4.7µF的低ESR钽电容或陶瓷电容旁路到PGND。

（十三）(EXTV _{CC})

外部电源输入到连接到(INTV {CC})的内部LDO。当(EXTV {CC})高于4.8V且(V{IN})高于6.5V时，该LDO为(INTV {CC})供电。

（十四）PGND

功率接地引脚，应紧密连接到底部N沟道MOSFET的源极和(C_{IN})的(–)端。

（十五）(V_{IN })

主输入电源，需用0.1µF至1µF的电容旁路到PGND。

（十六）FAULT0/FAULT1

故障输入引脚，连接到主芯片的GPIO引脚，响应主控制器的故障信号。当引脚为低电平时，相应通道的TG和BG引脚被拉低。

（十七）FREQ

频率设置引脚，有10µA的精确电流流出。通过连接到地的电阻设置电压，从而编程频率。

（十八）SGND

信号接地，所有小信号和补偿组件应连接到该接地，最终连接到PGND。

五、工作原理剖析

（一）主控制环路

LTC3870是一个恒定频率、电流模式的降压从控制器，与LTC3880系列主控制器并行工作。在正常操作中，每个顶部MOSFET在该通道的时钟设置RS锁存器时导通，在主电流比较器ICMP重置RS锁存器时关断。ICMP重置RS锁存器的峰值电感电流由(I{TH})引脚的电压控制，该电压直接连接到主控制器的相应(I{TH})引脚。当负载电流增加时，主控制器驱动并增加(I_{TH})电压，从而使相应从通道的峰值电流增加，直到平均电感电流与新的负载电流匹配。在顶部MOSFET关断后，底部MOSFET在连续导通模式（CCM）下一直导通到下一个周期开始，在不连续导通模式（DCM）下直到电感电流开始反向。需要注意的是，LTC3870从控制器不调节输出电压，而是调节每个通道的电流以与主控制器实现电流共享，输出电压调节通过主控制器的电压反馈环路实现。

（二）(INTV {CC} / EXTV{CC})电源

顶部和底部MOSFET驱动器以及大多数其他内部电路的电源来自(INTV {CC})引脚。通常，内部5.0V线性调节器从(V{IN})为(INTV {CC})供电。在高(V{IN})应用中，如果有高效的外部电压源可用于(EXTV {CC})引脚，则另一个内部5.0V线性调节器被启用，从(EXTV {CC})为(INTV {CC})供电。要启用由(EXTV {CC})引脚驱动的线性调节器，(V{IN})必须高于6.5V，且(EXTV {CC})引脚电压必须高于4.8V，同时(EXTV {CC})引脚电压不得超过14V。每个顶部MOSFET驱动器由浮动自举电容(C{B})偏置，该电容通常在顶部MOSFET关断时通过外部二极管在每个关断周期内充电。如果输入电压(V{IN})下降到接近(V{OUT})的电压，环路可能进入降压模式，并试图连续导通顶部MOSFET。降压检测器检测到这种情况，并每三个周期强制顶部MOSFET关断约十二分之一的时钟周期加100ns，以允许(C{B})充电。不过，建议在降压过渡期间有负载存在或IC以低频运行，以确保(C{B})充电。

（三）启动和关断

LTC3870的两个通道可以使用RUN0和RUN1引脚独立启动和关断。将这些引脚中的任何一个拉低到1.4V以下会关闭该通道的控制电路，在关断期间，TG和BG都被拉低以关闭外部功率MOSFET。将这些引脚中的任何一个拉高到2V以上会启用相应通道和内部电路。在启动期间，RUN0/RUN1引脚会被主动拉低，直到(INTV {CC})电压超过4V的欠压锁定阈值。对于多相并行操作，RUN0/RUN1引脚必须连接并由主控制器的RUN引脚驱动，且这些引脚的电压不得超过绝对最大额定值6V。每个通道的输出电压(V{OUT})的启动由主控制器控制和编程。在RUN引脚释放后，主控制器根据编程的延迟时间和上升时间驱动输出，从控制器LTC3870在启动期间只需跟随主控制器为输出提供等效电流。

（四）轻负载电流操作

LTC3870可以设置为在不连续导通模式（DCM）或强制连续导通模式（CCM）下运行。要选择强制连续模式，将MODE引脚连接到高于2V的直流电压（如(INTV {CC})）；要选择不连续导通模式，将MODE引脚连接到低于1.4V的直流电压（如SGND）。在强制连续操作中，电感电流在轻负载或大瞬态条件下允许反向，峰值电感电流由(I{TH})引脚的电压决定。在这种模式下，轻负载时的效率低于不连续模式，但连续模式具有输出纹波低和对音频电路干扰小的优点。当MODE引脚连接到SGND时，LTC3870在轻负载时工作在不连续模式。在非常轻的负载下，电流比较器ICMP可能会在几个周期内保持跳闸状态，并迫使外部顶部MOSFET在相同数量的周期内保持关断（即跳脉冲）。这种模式提供了比强制连续模式更高的轻负载效率，并且电感电流不允许反向。MODE0/ MODE1引脚内部连接有500k下拉电阻，如果这些引脚浮空，两个通道默认工作在不连续导通模式。

（五）多芯片操作

PHASMD引脚决定了内部通道之间以及SYNC引脚上的外部时钟信号之间的相对相位。根据PHASMD引脚的不同连接方式，通道0和通道1的相位会发生相应变化。SYNC引脚用于同步主从控制器之间的开关频率。通过多相操作，输入电容的ESR要求和效率损失可以显著降低，因为从输入电容汲取的峰值电流有效地被使用的相数除，并且功率损耗与RMS电流的平方成正比。例如，两相单输出电压实现可以将输入路径功率损耗降低75%，并大幅降低输入电容的所需RMS电流额定值。

（六）单输出多相操作

LTC3870设计用于与主控制器组成多相转换器，具体连接方式如下：

• 将并联通道的所有(I_{TH})引脚连接在一起，以实现主从之间的电流共享。需要注意的是，从控制器的(LIM)设置必须与主控制器中的MFR_PWM_MODE电流范围设置相匹配。
• 将主从之间的所有SYNC引脚连接在一起，以实现相同的开关频率同步；必须将其中一个主控制器编程为主设备，以在SYNC引脚上生成时钟信号。
• 将并联通道的所有RUN引脚连接在一起，以实现启动和关断序列。
• 将主控制器的GPIO引脚连接到从控制器的FAULT引脚，并将主GPIO编程为故障共享，以实现故障保护。

（七）电感电流检测

与LTC3880/LTC3883一样，LTC3870可以使用电感DCR或RSENSE来检测电感电流。电感DCR电流检测提供了一种无损的检测瞬时电流的方法，因此对于