LTC3869/LTC3869 - 2：高性能双同步降压开关稳压器控制器的深度剖析

在电子设计领域，电源管理模块的性能优劣往往直接影响着整个系统的稳定性与效率。今天，我们就来深入探讨 Linear Technology 公司推出的 LTC3869/LTC3869 - 2 双同步降压开关稳压器控制器，看看它究竟有哪些独特之处。

文件下载：LTC3869.pdf

1. 产品概述

LTC3869 是一款高性能的双同步降压开关稳压器控制器，能够驱动全 N 沟道同步功率 MOSFET 级。它采用恒定频率电流模式架构，具备高达 780kHz 的锁相频率，两个控制器输出级异相工作，有效降低了输入电容的 ESR 带来的功率损耗和噪声。OPTI - LOOP® 补偿技术可在宽范围的输出电容和 ESR 值下优化瞬态响应。其输入电源范围为 4V 至 38V，能涵盖大多数电池化学类型。LTC3869 有低轮廓 4mm × 4mm 和 4mm × 5mm QFN 封装，LTC3869 - 2 则采用 SSOP - 28 封装，且 LTC3869 与 LTC3850 引脚兼容。

2. 关键特性

2.1 双控制器优势

双 180° 异相控制器设计，显著降低了所需的输入电容和电源感应噪声，同时实现了精确的多相电流匹配。可选择 RSENSE 或 DCR 电流感应方式，输出电压精度高达 ±0.75%（0.6V 输出时）。

2.2 频率与效率

锁相固定频率范围为 250kHz 至 780kHz，最高效率可达 95%，采用双 N 沟道 MOSFET 同步驱动，能在宽输入电压范围（4V 至 38V，最大 40V）和宽输出电压范围（0.6V 至 12.5V）下稳定工作。

2.3 保护与监控功能

具备可调节的软启动电流斜坡或跟踪功能、折返式输出电流限制、输出过压保护以及电源良好输出电压监控功能。还集成了 5V 低压差稳压器，采用小型 28 引脚 QFN 和窄 SSOP 封装，节省电路板空间。

3. 应用领域

LTC3869/LTC3869 - 2 适用于多种领域，如服务器系统、电信系统、工业和医疗仪器、高功率电池供电设备以及直流电源分配系统等。

4. 工作原理

4.1 主控制环路

LTC3869 是恒定频率、电流模式降压控制器，两个通道以 180 度异相工作。正常工作时，每个顶部 MOSFET 在该通道的时钟设置 RS 锁存器时开启，当主电流比较器 ICMP 重置 RS 锁存器时关闭。ICMP 重置 RS 锁存器的峰值电感电流由 ITH 引脚电压控制，VFB 引脚接收电压反馈信号，与内部参考电压比较后调整 ITH 电压，使平均电感电流匹配新的负载电流。顶部 MOSFET 关闭后，底部 MOSFET 开启，直到电感电流开始反向或下一个周期开始。

4.2 电源供应

顶部和底部 MOSFET 驱动器及大多数内部电路的电源来自 INTVCC 引脚。当 EXTVCC 引脚悬空或电压低于 4.7V 时，内部 5V 线性稳压器从 VIN 提供 INTVCC 电源；当 EXTVCC 高于 4.7V 时，5V 稳压器关闭，内部开关导通连接 EXTVCC，可从高效外部电源获取 INTVCC 电源。

4.3 关机与启动

两个通道可通过 RUN1 和 RUN2 引脚独立关机，将引脚拉低至 1.2V 以下可关闭相应通道的主控制回路。启动时，输出电压由 TK/SS1 和 TK/SS2 引脚控制，通过连接外部电容到 SGND 可设置软启动周期，内部 1.2µA 上拉电流对电容充电，使输出电压平滑上升。

4.4 轻载电流操作

LTC3869 可选择进入高效突发模式、恒频脉冲跳跃模式或强制连续导通模式。突发模式下，电感峰值电流约为最大感应电压的三分之一；强制连续模式下，电感电流在轻载或大瞬态条件下允许反向；脉冲跳跃模式在轻载时，电流比较器可能跳过几个周期，电感电流不允许反向。

4.5 单输出多相操作

通过将所有 ITH 引脚、VFB 引脚、TK/SS 引脚和 RUN 引脚连接在一起，LTC3869 可用于单输出多相转换器，且通道间具有出色的电流匹配性能，确保各通道热应力均衡。

4.6 频率选择与锁相环

开关频率的选择需在效率和元件尺寸之间进行权衡。LTC3869 可通过 FREQ 引脚选择开关频率，有 10µA 精确电流流出该引脚，用户可通过连接电阻到 SGND 编程开关频率。集成的锁相环可将内部振荡器与连接到 MODE/PLLIN 引脚的外部时钟源同步，锁相范围为 250kHz 至 780kHz。

4.7 电源良好指示

当 VFB 引脚电压不在 0.6V 参考电压的 ±10% 范围内，或 RUN 引脚低于 1.2V，或处于软启动或跟踪阶段时，PGOOD 引脚被拉低。内部有 20µs 电源不良屏蔽时间，VFB 恢复到参考窗口内时，PGOOD 引脚立即指示电源良好。

4.8 输出过压保护

过压比较器 OV 可防止输出过冲（>10%）及其他过压情况，出现过压时，顶部 MOSFET 关闭，底部 MOSFET 开启，直至过压情况消除。

5. 应用信息

5.1 电流限制编程

ILIM 引脚是三电平逻辑输入，可设置控制器的最大电流限制。接地、浮空或连接到 INTVCC 时，最大电流感应阈值典型值分别为 30mV、50mV 或 75mV。75mV 设置电流限制精度最高，30mV 设置可使用低 DCR 电感或感测电阻但精度较低，50mV 设置是两者的良好平衡。单输出双相应用中，建议使用 50mV 或 75mV 设置以实现最佳电流共享。

5.2 电流感测

• 低阻值电阻电流感测：通过离散电阻感测电流，根据所需输出电流选择 RSENSE 电阻，计算公式为 (R{SENSE }=frac{V{SENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I{L}}{2}})，同时需考虑 PCB 噪声对 AC 电流感测纹波的影响，建议 ∆VSENSE 电压为 10mV。
• 电感 DCR 感测：适用于高负载电流下追求最高效率的应用。需选择合适的外部 R1||R2 • C1 时间常数，使其等于 L/DCR 时间常数，根据公式计算目标感测电阻值、DCR 值及相关电阻值，同时要考虑电感温度对 DCR 的影响。

5.3 电感选择

根据输入和输出电压、电感值和工作频率确定电感的峰 - 峰纹波电流，公式为 (RIPPLE =frac{V{OUT }}{V{IN }}left(frac{V{IN }-V{OUT }}{f{O S C} cdot L}right))。为保证纹波电流不超过指定最大值，电感应满足 (L geq frac{V{IN }-V{OUT }}{f{OSC } cdot I{RIPPLE }} cdot frac{V{OUT }}{V{IN }})。对于占空比大于 40% 的情况，需使用 (L{MIN }>frac{V{OUT }}{f{SW } cdot I_{LOAD(MAX) }} cdot 1.4) 确定最小电感值。

5.4 功率 MOSFET 和肖特基二极管选择

每个控制器需选择两个外部功率 MOSFET，顶部和底部均为 N 沟道 MOSFET。根据导通电阻 (R{DS(ON)})、米勒电容 (C{MILLER})、输入电压和最大输出电流选择 MOSFET。可选肖特基二极管可防止底部 MOSFET 体二极管导通，提高效率。

5.5 软启动和跟踪

LTC3869 可通过连接电容到 TK/SS 引脚实现软启动，软启动时间计算公式为 (t{SOFTSTART }=0.6 cdot frac{C{SS}}{1.2 mu A})。也可通过电阻分压器将其他电源的反馈电压应用到 TK/SS 引脚实现跟踪功能。

5.6 输出电压跟踪

通过 TK/SS 引脚可实现输出电压的重合跟踪或比例跟踪。重合跟踪需将额外的电阻分压器连接到主通道输出，并将中点连接到从通道的 TK/SS 引脚；比例跟踪需使从通道的电压分压器比例与主通道反馈分压器比例相同。重合跟踪输出调节性能更好，比例跟踪可节省一对电阻。

5.7 INTVCC 调节器和 EXTVCC

LTC3869 内部有 5V 线性稳压器为 INTVCC 供电，当 EXTVCC 高于 4.7V 时，可通过 P 沟道 MOSFET 连接 EXTVCC 为 INTVCC 供电。使用 EXTVCC 可提高效率，降低结温，但需注意不要超过 6V，且 (EXTV{CC}{IN})。

5.8 顶部 MOSFET 驱动器电源

外部自举电容 (C{B}) 连接到 BOOST 引脚，为顶部 MOSFET 提供栅极驱动电压。电容 (C{B}) 需为顶部 MOSFET 总输入电容的 100 倍，外部肖特基二极管反向击穿电压需大于 (V_{IN(MAX)})。

5.9 欠压锁定

LTC3869 有两个欠压保护功能，精确的 UVLO 比较器监控 INTVCC 电压，低于 3.2V 时锁定开关动作，具有 600mV 滞后。也可通过电阻分压器监控 VIN 电源，当 VIN 足够高时开启 IC。

5.10 (C{IN}) 和 (C{OUT}) 选择

(C{IN}) 的选择需考虑 2 相架构对输入网络最坏情况 RMS 电流的影响，计算公式为 (C{IN } Required I{RMS } approx frac{I{MAX }}{V{IN }}left[left(V{OUT }right)left(V{IN }-V{OUT }right)right]^{1 / 2})，建议使用低 ESR 电容，并进行降额处理。(C{OUT}) 的选择主要考虑有效串联电阻（ESR），输出纹波近似公式为 (Delta V{OUT } approx I{RIPPLE }left(ESR+frac{1}{8 fC{OUT }}right))。

5.11 输出电压设置

通过外部反馈电阻分压器设置输出电压，公式为 (V{OUT }=0.6 V cdotleft(1+frac{R{B}}{R{A}}right))，为改善频率响应，可使用前馈电容 (C{FF})，同时要注意将 (V_{FB}) 线路远离噪声源。

5.12 故障条件处理

LTC3869 具有电流折返功能，输出短路时，最大感应电压从最大值逐步降低到三分之一。短路时，底部 MOSFET 消耗大部分功率，短路纹波电流由最小导通时间 (t{ON(MIN)})、输入电压和电感值决定，短路电流计算公式为 (I{S C}=frac{1 / 3 V{SENSE(MAX)}}{R{SENSE }}-frac{1}{2} Delta I_{L(S C)})。

5.13 锁相环和频率同步

LTC3869 的锁相环由内部压控振荡器（VCO）和相位检测器组成，可将控制器 1 的顶部 MOSFET 开启锁定到 MODE/PLLIN 引脚的外部时钟信号上升沿，控制器 2 的顶部 MOSFET 与外部时钟异相 180 度。

5.14 最小导通时间考虑

最小导通时间 (t{ON(MIN)}) 约为 90ns，低占空比应用需确保 (t{ON(MIN)}{OUT}}{V{IN}(f)})，否则控制器会开始跳周期，导致输出纹波和电流增加。

5.15 效率考虑

开关稳压器的效率等于输出功率除以输入功率乘以 100%，LTC3869 电路的主要损耗源包括 IC (V{IN}) 电流、(INTV{CC}) 稳压器电流、(I^{2}R) 损耗和顶部 MOSFET 过渡损耗。可通过使用 EXTVCC 从输出派生电源为 INTVCC 供电，降低 (V_{IN}) 电流，提高效率。

5.16 瞬态响应检查

通过观察负载电流瞬态响应检查调节器环路响应，负载阶跃时，(V{OUT}) 会发生变化，通过 (I{TH}) 引脚可优化控制环路行为，估计相位裕度、阻尼因子和带宽。对于负载中带有大旁路电容的情况，需控制开关上升时间，防止输出电压突然下降。

5.17 PCB 布局检查

PCB 布局时需注意：顶部 N 沟道 MOSFET 应靠近放置，信号和功率地分开，(V{FB}) 和 (I{TH}) 走线应尽量短，SENSE + 和 SENSE - 引脚应一起布线，INTVCC 去耦电容应靠近 IC，开关节点、顶部栅极节点和升压节点应远离敏感小信号节点，采用改良的“星形接地”技术。

6. 设计示例

以一个两通道高电流调节器为例，假设 (V{IN }=12 ~V)（标称），(V{IN}=20 ~V)（最大），(V{OUT1 }=1.8 ~V)，(V{OUT2 }=1.2 ~V)，(I_{MAX 1,2}=15 ~A)，(f = 400 kHz)。根据相关公式计算输出电压、电感值、等效感测电阻值等参数，选择合适的元件，如电感、MOSFET、电容等，并进行功率损耗和效率分析。

7. 典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，如 2.5V、15A 和 1.8V、15A 电源、1.8V、15A 和 1.2V、15A 电源、1.2V、40A 电源等，详细介绍了电路的元件选择和参数设置。

8. 相关部件

文档还列出了一些相关部件，如 LTM4630/LTM4630A、LTC3887/LTC3887 - 1、LTC3774 等，可根据具体需求进行选择。

总之，LTC3869/LTC3869 - 2 是一款功能强大、性能卓越的双同步降压开关稳压器控制器，在多种应用场景中都能发挥出色的性能。但在实际设计中，还需根据具体需求仔细选择元件、优化布局，以确保系统的稳定性和效率。大家在使用过程中遇到任何问题，欢迎一起交流探讨。