深入剖析LTC3787：高性能多相同步升压控制器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，选择一款合适的升压控制器至关重要。今天，我们就来详细探讨一下凌力尔特（现ADI）的LTC3787多相同步升压控制器，看看它有哪些出色的特性和应用。

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一、LTC3787概述

LTC3787是一款高性能的多相单输出同步升压转换器控制器，能够驱动两个N沟道功率MOSFET阶段异相工作。多相操作的设计大大降低了对输入和输出电容的要求，并且允许使用比单相等效电路更小的电感。同时，同步整流技术提高了效率，降低了功率损耗，减轻了散热需求，为高功率升压应用提供了有力支持。

二、关键特性解读

2.1 多相与同步优势

• 多相操作：采用2相操作，有效减少了所需的输入和输出电容，降低了电源引起的噪声。这对于对电源稳定性要求较高的应用场景，如工业、汽车、医疗和军事等领域，具有重要意义。
• 同步操作：同步整流技术实现了高效率和低散热，提高了系统的整体性能和可靠性。

2.2 宽输入输出范围

• 输入范围：具有4.5V至38V（绝对最大40V）的宽输入电压范围，启动后可低至2.5V工作，适用于各种不同的电源系统和电池化学类型。
• 输出范围：输出电压最高可达60V，能够满足多种高电压需求的应用。

2.3 高精度与灵活控制

• 高精度参考电压：±1%的1.200V参考电压，保证了输出电压的稳定性和准确性。
• 灵活的电流检测：支持RSENSE或电感DCR电流检测，工程师可以根据具体应用需求选择合适的检测方式。

2.4 其他特性

• 低静态电流：静态电流仅为135μA，关机电流 (I_{Q}<8 μA)，降低了系统的功耗。
• 锁相和可编程频率：相位可锁定频率范围为75kHz至850kHz，可编程固定频率范围为50kHz至900kHz，提供了灵活的频率选择。
• 电源良好输出监测：具备电源良好输出电压监测功能，方便工程师实时了解系统的工作状态。
• 多种封装形式：采用热增强型低轮廓28引脚4mm × 5mm QFN封装和窄SSOP封装，满足不同的应用场景和布局要求。
• 汽车级认证：通过AEC - Q100认证，适用于汽车应用。

三、工作原理分析

3.1 主控制环路

LTC3787采用恒定频率、电流模式升压架构，两个控制通道异相工作。在正常工作时，外部底部MOSFET在时钟信号置位RS锁存器时导通，当主电流比较器ICMP复位RS锁存器时关断。ICMP触发并复位锁存器的峰值电感电流由ITH引脚的电压控制，该电压是误差放大器EA的输出。误差放大器将VFB引脚的输出电压反馈信号（通过外部电阻分压器产生）与内部1.200V参考电压进行比较，根据负载电流的变化调整ITH电压，从而使每个通道的平均电感电流满足新的负载要求。

3.2 电源供应

(INTV{CC})引脚为顶部和底部MOSFET驱动器以及大多数其他内部电路提供电源。当(EXTV{CC})引脚电压低于4.8V时，VBIAS LDO（低压差线性稳压器）从VBIAS向(INTV{CC})提供5.4V电压；当(EXTV{CC})引脚电压高于4.8V时，VBIAS LDO关闭，(EXTV{CC}) LDO开启，从(EXTV{CC})向(INTV_{CC})提供5.4V电压。这种设计可以根据实际情况选择合适的电源输入，降低功耗。

3.3 关机与启动

• 关机：将RUN引脚电压拉低至1.28V以下，可关闭两个相位的主控制环路；将RUN引脚电压拉低至0.7V以下，可禁用两个控制器和大多数内部电路，包括(INTV_{CC}) LDO，此时LTC3787的静态电流仅为8μA。
• 启动：启动时，SS引脚的电压控制输出电压(V_{OUT})的上升。当SS引脚电压低于1.2V内部参考电压时，LTC3787将VFB引脚电压调节到SS引脚电压，而不是1.2V参考电压。通过在SS引脚连接外部电容到SGND，可以实现软启动功能，使输出电压平滑上升到最终值。

3.4 轻载操作模式

LTC3787在轻载电流下支持三种操作模式：

• Burst Mode（突发模式）：将PLLIN/MODE引脚接地，可选择突发模式。在该模式下，电感的最小峰值电流设置为最大检测电压的约30%。当平均电感电流高于所需电流时，误差放大器EA会降低ITH引脚的电压。当ITH电压降至0.425V以下时，内部睡眠信号置高，两个外部MOSFET关闭，此时大部分内部电路关闭，LTC3787的静态电流仅为135μA。当输出电压下降到一定程度时，睡眠信号置低，控制器恢复正常工作。
• Pulse - Skipping Mode（脉冲跳过模式）：将PLLIN/MODE引脚连接到大于1.2V且小于(INTV_{CC}-1.3V)的直流电压，可选择脉冲跳过模式。在该模式下，恒频操作可维持到设计最大输出电流的约1%。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触发状态，迫使外部底部MOSFET在相同的周期内保持关闭（即跳过脉冲）。该模式具有较低的输出纹波和音频噪声，以及比强制连续模式更高的低电流效率，但不如突发模式。
• Forced Continuous Conduction Mode（强制连续导通模式）：将PLLIN/MODE引脚连接到(INTV_{CC})，可选择强制连续导通模式。在该模式下，轻载或大瞬态条件下电感电流允许反向，峰值电感电流由ITH引脚的电压决定。该模式的轻载效率低于突发模式，但具有较低的输出电压纹波和对音频电路的干扰较小的优点。

3.5 频率选择与锁相环

• 频率选择：LTC3787的开关频率可以通过FREQ引脚进行选择。当PLLIN/MODE引脚未由外部时钟源驱动时，将FREQ引脚接地可选择350kHz的频率，将FREQ引脚连接到(INTV_{CC})可选择535kHz的频率，也可以通过在FREQ引脚和地之间连接电阻来编程50kHz至900kHz的频率。
• 锁相环：LTC3787具有内部锁相环（PLL），可以将内部振荡器与连接到PLLIN/MODE引脚的外部时钟源同步。锁相环的典型捕获范围约为55kHz至1MHz，保证锁定频率范围为75kHz至850kHz。通过使用FREQ引脚设置接近所需同步频率的自由运行频率，可以实现快速锁相。

3.6 多相应用

LTC3787的CLKOUT和PHASMD引脚允许在多相应用中与其他控制器IC进行级联。CLKOUT引脚的时钟输出信号可用于同步多相电源解决方案中的额外功率级，为单个高电流输出或多个独立输出供电。PHASMD引脚用于调整CLKOUT信号的相位以及两个内部控制器之间的相对相位，可配置为2、3、4、6和12相操作。

四、应用设计要点

4.1 电流检测方案选择

LTC3787可以使用电感DCR（直流电阻）检测或离散检测电阻（RSENSE）进行电流检测。两种方案各有优缺点，需要根据具体应用需求进行权衡：

• RSENSE检测：使用离散电阻进行检测，电流比较器的最大阈值可以通过ILIM引脚设置为50mV、75mV或100mV。根据所需输出电流选择合适的RSENSE电阻值，计算公式为 (R{SENSE }=frac{V{SENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I{L}}{2}})，其中 (I{MAX }=left(frac{I{OUT(MAX) }}{2}right) cdotleft(frac{V{OUT }}{V{IN}}right))。
• 电感DCR检测：对于高负载电流下需要最高效率的应用，LTC3787能够检测电感DCR上的电压降。通过选择合适的外部R1||R2 • C1时间常数，使其等于L/DCR时间常数，可以实现准确的电流检测。该方案可以减少传导损耗，提高效率，但需要准确测量电感的DCR，并考虑其温度系数。

4.2 电感值计算

电感值的选择与工作频率密切相关，较高的工作频率允许使用较小的电感和电容值，但会增加MOSFET的开关损耗，降低效率。电感纹波电流 (Delta I{L}=frac{V{I N}}{f cdot L}left(1-frac{V{I N}}{V{OUT }}right))，通常建议将纹波电流设置为 (Delta I{L}=0.3(I{MAX}))。在选择电感时，应选择具有低DCR和低磁芯损耗的电感。

4.3 功率MOSFET选择

每个控制器需要选择两个外部功率MOSFET，一个用于底部（主）开关，一个用于顶部（同步）开关。选择时需要考虑的参数包括导通电阻 (R{DS(ON)})、米勒电容 (C{MILLER})、输入电压和最大输出电流。在连续模式下，顶部和底部MOSFET的占空比分别为 (Main Switch Duty Cycle =frac{V{OUT }-V{I N}}{V{OUT }}) 和 (Synchronous Switch Duty Cycle =frac{V{I N}}{V_{OUT }})。根据这些参数计算MOSFET的功率耗散，选择合适的MOSFET。

4.4 (C{IN}) 和 (C{OUT}) 选择

• (C_{IN})选择：升压转换器的输入纹波电流相对较低，输入电容器 (C_{IN}) 的电压额定值应超过最大输入电压。其值取决于源阻抗和占空比，高输出电流和高占空比的应用对输入电源的要求较高。
• (C_{OUT})选择：输出电流是不连续的，因此 (C_{OUT}) 必须能够降低输出电压纹波。选择时需要考虑ESR（等效串联电阻）和体电容的影响。在2相操作中，两个通道异相工作，有效交错输出电容电流脉冲，大大降低了输出电容纹波电流，因此可以放宽对电容ESR的要求。

4.5 输出电压设置

LTC3787的输出电压通过外部反馈电阻分压器设置，计算公式为 (V{OUT }=1.2 Vleft(1+frac{R{B}}{R_{A}}right))。在布线时，应注意将VFB线远离噪声源，如电感或SW线，并尽量减小VFB节点的尺寸，以避免噪声拾取。

4.6 软启动设置

通过在SS引脚连接电容到地，可以实现软启动功能。内部10μA电流源对电容充电，使SS引脚电压线性上升，LTC3787根据SS引脚电压调节VFB引脚（从而调节(V{OUT})），使输出电压从(V{IN})平滑上升到最终调节值。总软启动时间约为 (t{S S}=C{S S} cdot frac{1.2 V}{10 mu A})。

4.7 (INTV_{CC}) 调节器

LTC3787具有两个独立的内部P沟道低压差线性稳压器（LDO），根据(EXTV{CC})引脚的连接情况，从VBIAS或(EXTV{CC})引脚为(INTV{CC})引脚提供5.4V电源。在高输入电压应用中，使用外部电源为(INTV{CC})供电可以显著降低结温。

4.8 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}) 在SW引脚为低电平时通过外部二极管 (D{B}) 从(INTV{CC})充电。每个顶部MOSFET驱动器包括一个内部电荷泵，在降压/过压条件下为自举电容提供电流，以保持顶部MOSFET持续导通。

4.9 故障保护

LTC3787具有过温保护功能，当结温超过约170°C时，过温保护电路将关闭(INTV{CC}) LDO，导致(INTV{CC})电源崩溃，从而关闭整个芯片。当结温降至约155°C时，(INTV_{CC}) LDO重新开启。

4.10 PCB布局要点

• 元件布局：将底部N沟道MOSFET和顶部N沟道MOSFET与(C_{OUT})放置在一个紧凑的区域。
• 接地处理：信号地和功率地应分开，IC信号接地引脚和(C{INTVCC})的接地返回端应连接到(C{OUT})的负极端子。底部N沟道MOSFET和电容形成的路径应具有短的引线和PCB走线长度。
• 反馈连接：VFB引脚的电阻分压器应连接到(C_{OUT})的正极端子，并靠近VFB引脚放置。
• 电流检测：(SENSE)和(SENSE^{+})引线应一起布线，最小化PCB走线间距，滤波电容应靠近IC放置。
• 去耦电容：(INTV{CC})去耦电容应靠近IC连接在(INTV{CC})和功率接地引脚之间。
• 信号隔离：开关节点（SW1，SW2）、顶部栅极节点（TG1，TG2）和升压节点（BOOST1，BOOST2）应远离敏感的小信号节点。
• 接地技术：使用改进的“星形接地”技术，在PCB板上设置一个低阻抗、大铜面积的中央接地点。

五、典型应用案例

文档中给出了多个典型应用电路，如2相24V、28V、36V、48V升压转换器，以及4相单输出升压转换器等。这些电路展示了LTC3787在不同输出电压和电流要求下的应用，为工程师提供了参考。

六、总结与思考

LTC3787作为一款高性能的多相同步升压控制器，具有多种出色的特性和灵活的应用方式。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，综合考虑各个参数和设计要点，选择合适的元件和电路布局，以实现最佳的性能和可靠性。同时，对于不同的工作模式和应用场景，需要进行深入的分析和测试，以确保系统的稳定性和效率。大家在使用LTC3787的过程中，有没有遇到过一些独特的问题或者有什么特别的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。