深入解析LTC3890-3：高性能双路同步降压DC/DC控制器

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。今天我们要深入探讨的是Linear Technology公司的LTC3890-3，一款高性能的双路同步降压DC/DC控制器，它在众多应用场景中都展现出了卓越的性能。

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一、产品概述

LTC3890-3是一款驱动全N沟道同步功率MOSFET级的高性能双路降压开关稳压器DC/DC控制器。它采用恒定频率电流模式架构，频率可锁相至850kHz，两个控制器输出级异相工作，有效降低了功率损耗和电源感应噪声。其无负载静态电流仅50μA，能显著延长电池供电系统的工作寿命。此外，它还具备宽输入电压范围（4V - 60V）和宽输出电压范围（0.8V - 24V），适用于多种应用场景。

二、关键特性

1. 宽输入输出电压范围

• 输入电压：4V至60V（绝对最大65V），能适应多种电源环境，包括不同的电池化学性质和中间总线电压。
• 输出电压：0.8V至24V，可满足不同负载的电压需求。

2. 低功耗设计

• 低静态电流：单通道开启时仅50µA，关机电流小于14µA，大大降低了系统功耗，延长了电池续航时间。

3. 灵活的电流检测方式

支持(R_{SENSE})或DCR电流检测，可根据设计需求选择合适的检测方式，在成本、功耗和精度之间进行权衡。

4. 异相控制

两个控制器输出级异相工作，减少了输入电容和电源感应噪声，降低了总RMS输入电流，提高了效率，同时允许使用更便宜的输入电容。

5. 可锁相频率和可编程固定频率

• 锁相频率：75kHz至850kHz，可与外部时钟同步，便于系统集成。
• 可编程固定频率：50kHz至900kHz，可根据应用需求灵活调整开关频率。

6. 多种工作模式

支持连续、脉冲跳跃或低纹波Burst Mode®操作，可在轻载时根据需求选择合适的工作模式，提高效率。

7. 其他特性

• 软启动和跟踪功能：可通过TRACK/SS引脚实现输出电压的软启动或跟踪，避免电压过冲。
• Power Good输出：可监测输出电压，当输出电压不在设定范围内时，PGOOD1引脚拉低。

三、引脚功能详解

1. 控制与反馈引脚

• ITH1, ITH2：误差放大器输出和开关稳压器补偿点，控制电流比较器的跳闸点。
• (V_{FB 1}) , (FB2)：接收外部电阻分压器的反馈电压，用于调节输出电压。
• SENSE1+, (SENSE2+) 和 (SENSE1) , SENSE2–：差分电流比较器的输入，用于电流检测。

2. 频率控制引脚

• FREQ：内部VCO的频率控制引脚，可通过连接GND、(INTV CC)或外接电阻来设置开关频率。

3. 模式选择引脚

• PLLIN/MODE：外部同步输入和轻载模式选择引脚，可选择Burst Mode、脉冲跳跃模式或强制连续模式。

4. 使能与电源引脚

• RUN1, RUN2：数字运行控制输入，可独立关闭或开启每个控制器。
• (INTV _{CC})：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)：外部电源输入，可在电压高于4.7V时为(INTV CC)供电。

5. 驱动与开关引脚

• BG1, BG2：底部N沟道MOSFET的高电流栅极驱动。
• BOOST1, BOOST2：顶部浮动驱动器的自举电源。
• SW1, SW2：开关节点连接到电感。
• TG1, TG2：顶部N沟道MOSFET的高电流栅极驱动。

6. 状态监测引脚

• PGOOD1：开漏逻辑输出，用于监测输出电压是否在设定范围内。
• TRACK/SS1, TRACK/SS2：外部跟踪和软启动输入，可控制输出电压的启动过程。

四、工作原理

1. 主控制环路

LTC3890-3采用恒定频率、电流模式降压架构，两个控制器通道异相工作。在正常工作时，外部顶部MOSFET由时钟信号开启，当主电流比较器ICMP检测到电感电流达到ITH引脚设定的阈值时，关闭顶部MOSFET。误差放大器EA比较输出电压反馈信号(VFB)和内部0.800V参考电压，调整ITH引脚电压，使平均电感电流匹配负载电流。

2. 电源管理

• (INTV{CC} / EXTV{CC}) 供电：当(EXTV CC)电压低于4.7V时，(VIN) LDO从(V{IN })为(INTV {CC})提供5.1V电源；当(EXTV CC)电压高于4.7V时，(EXTV CC) LDO开启，从(EXTV CC)为(INTV _{CC})供电。
• 顶部MOSFET驱动：顶部MOSFET驱动由自举电容(C{B})供电，当输入电压接近输出电压时，dropout检测器会强制顶部MOSFET每隔十个周期关闭约十二分之一的时钟周期，以允许(C{B})充电。

3. 关机与启动

• 关机：通过将RUN1或RUN2引脚拉低至1.15V以下，可关闭相应的控制器；将两个引脚都拉低至0.7V以下，可关闭整个LTC3890-3，此时静态电流仅14µA。
• 启动：释放RUN引脚，内部电流会将其拉高以启用控制器。TRACK/SS引脚可用于编程软启动或跟踪其他电源，通过连接外部电容或电阻分压器来控制输出电压的启动过程。

4. 轻载电流操作

• Burst Mode操作：将PLLIN/MODE引脚拉低至0.8V以下，可选择Burst Mode操作。在该模式下，电感电流不允许反向，轻载时效率较高，但输出电压纹波较大。
• 脉冲跳跃模式：将PLLIN/MODE引脚连接到1.2V至(INTV_{CC}-1.3 ~V)之间的电压，可选择脉冲跳跃模式。该模式在轻载时保持恒定频率操作，输出纹波和音频噪声较低。
• 强制连续模式：将PLLIN/MODE引脚连接到(INTV _{CC})，可选择强制连续模式。该模式下电感电流允许反向，输出电压纹波较低，但轻载效率较低。

5. 频率选择与锁相环

• 频率选择：通过FREQ引脚可选择开关频率，可连接GND、(INTV CC)或外接电阻来设置频率。
• 锁相环：LTC3890-3的锁相环可将内部振荡器与外部时钟同步，允许的外部时钟频率范围为75kHz至850kHz。通过预偏置VCO输入电压，可实现快速锁相。

6. Power Good功能

PGOOD1引脚连接到内部N沟道MOSFET的开漏极，当(V_{FB 1})引脚电压不在0.8V参考电压的±10%范围内或RUN1引脚为低电平时，MOSFET导通，PGOOD1引脚拉低。

五、应用信息

1. 电流检测方案

• 低阻值电阻电流检测：根据所需输出电流选择合适的(R{SENSE})电阻，计算公式为(R{SENSE }=frac{V{SENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I_{L}}{2}})。
• 电感DCR检测：对于高负载电流应用，可采用电感DCR检测，通过选择合适的外部滤波组件，使((R1||R2) • C1)时间常数等于L/DCR时间常数，以实现准确的电流检测。

2. 电感选择

• 电感值计算：电感值与开关频率和纹波电流相关，计算公式为(Delta I{L}=frac{1}{(f)(L)} V{OUT }left(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right))。一般建议将纹波电流设置为(Delta I{L}=0.3(I{MAX}))。
• 电感核心选择：高效率转换器通常选择铁氧体或钼坡莫合金磁芯，以减少磁芯损耗。

3. 功率MOSFET和肖特基二极管选择

• 功率MOSFET：选择逻辑电平阈值MOSFET，考虑导通电阻(R_{DS(ON)})、米勒电容(CMILLER)、输入电压和最大输出电流等因素。
• 肖特基二极管：可选的肖特基二极管D3和D4可防止底部MOSFET的体二极管导通，提高效率。

4. (C{IN })和(C{OUT })选择

• (C_{IN })选择：2相架构可降低输入电容的RMS纹波电流，根据公式(C{I N} Required I{RMS } approx frac{I{MAX }}{V{IN }}left[left(V{OUT }right)left(V{IN }-V_{OUT }right)right]^{1 / 2})选择合适的电容。
• (C_{OUT })选择：输出电容的选择主要考虑有效串联电阻（ESR），输出纹波可近似为(Delta V{OUT } approx Delta I{L}left(ESR+frac{1}{8 cdot f cdot C_{OUT }}right))。

5. 设置输出电压

通过外部反馈电阻分压器设置输出电压，公式为(V{OUT }=0.8 Vleft(1+frac{R{B}}{R{A}}right))。为提高频率响应，可使用前馈电容(C{FF})。

6. 跟踪和软启动

• 软启动：通过在TRACK/SS引脚连接电容，利用内部1µA电流源充电，实现输出电压的软启动，软启动时间约为(t{S S}=C{S S} cdot frac{0.8 V}{1 mu A})。
• 跟踪：通过连接电阻分压器，可使输出电压跟踪其他电源。

7. (INTV _{C C})调节器

LTC3890-3有两个内部P沟道低压差线性稳压器（LDO），可根据(EXTV CC)引脚的连接情况为(INTV CC)供电。使用(EXTV CC) LDO可提高效率，降低结温。

8. 顶部MOSFET驱动电源

外部自举电容(C{B})为顶部MOSFET提供栅极驱动电压，外部二极管(D{B})应选择低泄漏、快速恢复的肖特基二极管或硅二极管。

9. 故障条件处理

• 电流限制：LTC3890-3的峰值电流模式控制架构可在输出短路时限制电感电流，通过最小导通时间(t_{ON(MIN)})和输入电压、电感值计算短路纹波电流和平均短路电流。
• 电流折返：在短路条件下，LTC3890-3会进行周期跳跃，以限制短路电流。

10. 锁相环和频率同步

LTC3890-3的锁相环可将内部振荡器与外部时钟同步，通过FREQ引脚预偏置VCO输入电压，可实现快速锁相。

11. 最小导通时间考虑

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

12. 效率考虑

效率主要受IC Vin电流、(INTV CC)调节器电流、(I^{2} R)损耗和顶部MOSFET过渡损耗等因素影响。通过合理选择组件和优化电路设计，可提高效率。

13. 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，可使用ITH引脚作为测试点，优化控制环路行为。

六、设计示例

以一个通道为例，假设(V{IN}=) 12V（标称），(V{IN }=22 ~V)（最大），(V{OUT }=3.3 ~V)，(I{MAX }=5 ~A)，(V_{SENSE(MAX) }=75 mV)，(f=350 kHz)。

• 电感选择：根据30%纹波电流假设，选择4.7µH电感，可产生29%纹波电流。
• (R_{SENSE })电阻计算：使用最小电流检测阈值43mV，计算得到(R_{SENSE} leq frac{64 mV}{5.73 A} approx 0.01 Omega)。
• 输出电压设置：选择(R{A}=25 k)和(R{B}=78.7 k)，得到输出电压3.32V。
• 功率MOSFET功耗估算：选择Fairchild FDS6982S双MOSFET，估算顶部MOSFET功耗为331mW。
• 短路电流计算：短路时的折返电流为3.18A，底部MOSFET功耗为250mW。
• 电容选择：选择(C_{IN })的RMS电流额定值至少为3A，(Cout)的ESR为0.02Ω，以降低输出纹波。

七、PCB布局要点

1. 元件布局

• 顶部N沟道MOSFET应靠近放置，共用(C_{IN})的漏极连接，避免输入去耦分离。
• 信号地和电源地应分开，IC信号地和(CINTVCC)的接地返回应连接到(COUT)的负端。

2. 反馈连接

(LTC3890-3 VFB)引脚的电阻分压器应连接到(C_{OUT })的正端，避免连接到高电流输入馈线。

3. 电流检测

(SENSE-)和(SENSE ^{+})引脚的引线应紧密布线，滤波电容应靠近IC放置，采用Kelvin连接确保准确的电流检测。

4. 去耦电容

(INTV CC)去耦电容应靠近IC连接，在(INTV CC)和电源地引脚之间放置一个1µF陶瓷电容，可改善噪声性能。

5. 信号隔离

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，减少干扰。

6. 接地方式

采用改进的星形接地技术，在PCB板上设置低阻抗、大面积的中央接地点。

八、典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，包括高效双8.5V/3.3V降压转换器、高效8.5V双相降压转换器、高效双12V/5V降压转换器等，为工程师提供了实际应用的参考。

九、相关部件

文档还介绍了一些相关部件，如LTC3891、LTC3857/LTC3857-1、LTC3858/LTC3858-1等，为工程师在不同应用场景下的选择提供了更多参考。

LTC3890-3以其丰富的特性和灵活的应用方式，为电子工程师在电源管理设计中提供了一个强大的工具。通过深入了解其工作原理、应用信息和布局要点，工程师可以更好地发挥其性能，设计出高效、稳定的电源系统。在实际应用中，你是否遇到过类似电源管理芯片的使用问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。