深入解析LTC3890 - 1：高性能双路降压开关稳压器DC/DC控制器

在电子工程师的日常设计中，选择一款合适的DC/DC控制器至关重要。今天我们就来深入探讨一下Linear Technology公司的LTC3890 - 1，这是一款高性能的双路降压开关稳压器DC/DC控制器，具有诸多出色的特性和广泛的应用场景。

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一、产品概述

LTC3890 - 1能够驱动所有N沟道同步功率MOSFET级，采用恒定频率电流模式架构，可实现高达850kHz的锁相频率。其输入电压范围为4V至60V（绝对最大值65V），输出电压范围为0.8V至24V，具有低静态电流（50µA，单通道开启）、宽输出电压范围、可选的电流检测方式等特点。此外，它还支持多种工作模式，如连续模式、脉冲跳跃模式和低纹波突发模式，能在不同负载条件下实现高效运行。

二、关键特性分析

2.1 输入输出特性

• 宽输入电压范围：4V至60V的输入电压范围，能适应多种电源环境，涵盖了广泛的中间总线电压和电池化学类型，为不同的应用场景提供了灵活性。
• 宽输出电压范围：0.8V至24V的输出电压范围，可满足多种负载的供电需求。
• 低静态电流：单通道开启时静态电流仅50µA，有助于延长电池供电系统的工作寿命。

2.2 工作模式

• 突发模式（Burst Mode）：在轻负载时，可显著降低静态电流，提高效率。当控制器进入突发模式时，电感中的最小峰值电流被设置为最大感测电压的约25%。当平均电感电流高于负载电流时，误差放大器会降低ITH引脚的电压，当ITH电压低于0.425V时，进入睡眠模式，此时大部分内部电路关闭，仅消耗50µA（单通道睡眠）或60µA（双通道睡眠）的静态电流。
• 脉冲跳跃模式（Pulse - Skipping）：在轻负载时保持恒定频率操作，输出纹波较低，音频噪声和射频干扰也较小，效率高于强制连续模式。
• 强制连续模式（Forced Continuous Mode）：电感电流在轻负载或大瞬态条件下允许反向，输出电压纹波低，对音频电路的干扰小，但轻负载时效率低于突发模式。

2.3 其他特性

• 相位锁定功能：通过PLLIN/MODE引脚可将内部振荡器与外部时钟源同步，锁相范围为75kHz至850kHz，可有效减少输入电容和电源引起的噪声。
• 过压保护：当VFB引脚电压高于其调节点10%以上时，顶部MOSFET关闭，底部MOSFET开启，直到过压条件消除。
• 电源良好输出（PGOOD1）：当VFB1引脚电压不在0.8V参考电压的±10%范围内时，PGOOD1引脚被拉低，可用于指示输出电压是否正常。
• 电流折返功能：当输出电压降至标称水平的70%以下时，激活电流折返功能，逐步降低峰值电流限制，以保护电路。

三、引脚功能详解

LTC3890 - 1共有28个引脚，每个引脚都有其特定的功能，以下是一些关键引脚的介绍：

• 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。
• VFB1/VFB2：接收来自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，可用于DCR（电感电阻）电流检测或低阻值电阻电流检测。
• FREQ：内部VCO的频率控制引脚，可通过连接到GND、INTVCC或使用外部电阻来设置开关频率。
• PLLIN/MODE：外部同步输入和轻负载模式选择引脚，可选择突发模式、脉冲跳跃模式或强制连续模式。
• RUN1/RUN2：数字运行控制输入，用于独立关闭或开启每个控制器。
• INTVCC：内部线性低压差稳压器的输出，为驱动和控制电路供电。
• EXTVCC：外部电源输入，当电压高于4.7V时，可为INTVCC供电，提高效率。

四、工作原理

4.1 主控制环路

LTC3890 - 1采用恒定频率、电流模式降压架构，两个控制器通道以180度异相运行。在正常运行时，外部顶部MOSFET在时钟信号设置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跳闸并重置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与内部0.800V参考电压进行比较，当负载电流增加时，VFB相对参考电压略有下降，EA会增加ITH电压，直到平均电感电流匹配新的负载电流。

4.2 电源供应

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INTVCC引脚。当EXTVCC引脚电压低于4.7V时，VIN LDO从VIN向INTVCC提供5.1V电源；当EXTVCC引脚电压高于4.7V时，VIN LDO关闭，EXTVCC LDO开启，从EXTVCC向INTVCC提供5.1V电源。

4.3 启动和关闭

通过RUN1和RUN2引脚可独立关闭每个控制器。当两个引脚都低于0.7V时，整个LTC3890 - 1关闭，静态电流仅14µA。启动时，每个控制器的输出电压由TRACK/SS引脚的电压控制，可实现软启动或跟踪其他电源。

五、应用信息

5.1 电流检测方法

• 低阻值电阻电流检测：根据所需输出电流选择合适的RSENSE电阻，通过公式 (R{SENSE }=frac{V{SENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I{L}}{2}}) 计算电阻值。
• 电感DCR电流检测：在高负载电流应用中，可通过检测电感DCR上的电压降来实现电流检测，具有更高的效率。需根据电感的DCR值和目标感测电阻值选择合适的外部滤波组件。

5.2 电感选择

电感值与开关频率相互关联，较高的开关频率允许使用较小的电感和电容值，但会增加MOSFET的开关损耗和栅极电荷损耗，降低效率。一般选择电感纹波电流 (Delta I{L}=0.3(I{MAX})) 作为起始点，同时要考虑电感值对突发模式操作和输出电压纹波的影响。

5.3 功率MOSFET和肖特基二极管选择

每个控制器需要选择两个外部功率MOSFET，即顶部（主）开关和底部（同步）开关。选择时需考虑导通电阻 (R{DS(ON)})、米勒电容 (C{MILLER})、输入电压和最大输出电流等因素。可选的肖特基二极管可防止底部MOSFET的体二极管导通，提高效率。

5.4 输入输出电容选择

• 输入电容 (C_{IN})：2相架构可降低输入电容的RMS纹波电流，选择时需考虑最大RMS电流要求，可使用公式 (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}) 计算。
• 输出电容 (C_{OUT})：输出电容的选择主要取决于有效串联电阻（ESR），输出纹波电压可通过公式 (Delta V{OUT } approx Delta I{L}left(ESR+frac{1}{8 cdot f cdot C_{OUT }}right)) 估算。

5.5 输出电压设置

通过外部反馈电阻分压器可设置输出电压，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}) 。

5.6 跟踪和软启动

• 软启动：通过在TRACK/SS引脚连接电容到地，内部1µA电流源对电容充电，实现输出电压的平滑上升，软启动时间约为 (t{s s}=C{s s} cdot frac{0.8 V}{1 mu A}) 。
• 跟踪：通过将电阻分压器连接到TRACK/SS引脚，可使输出电压在启动时跟踪其他电源。

六、设计示例

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：选择4.7µH电感，可产生29%的纹波电流，峰值电感电流为5.73A。
• RSENSE电阻计算：使用最小最大电流感测阈值（43mV）计算， (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) ，可得到3.32V的输出电压。
• 功率MOSFET功率估算：选择Fairchild FDS6982S双MOSFET，在最大输入电压下，顶部MOSFET的功率损耗约为331mW。
• 短路电流计算：短路时的折返电流约为3.18A，底部MOSFET的功率损耗约为250mW。
• 电容选择： (C{IN}) 选择RMS电流额定值至少为3A的电容， (C{OUT}) 选择ESR为0.02Ω的电容，以降低输出纹波。

七、PCB布局注意事项

• MOSFET布局：顶部N沟道MOSFET应彼此靠近，且漏极连接到 (C_{IN}) ，避免输入去耦分离。
• 接地设计：信号地和功率地应分开，IC信号接地引脚和 (C{INTVCC}) 的接地返回应连接到 (C{OUT}) 的负极端子。
• 反馈电阻连接：LTC3890 - 1的VFB引脚的电阻分压器应连接到 (C_{OUT}) 的正极端子。
• SENSE引脚布线：SENSE - 和SENSE + 引脚的引线应紧密布线，滤波电容应靠近IC。
• INTVCC电容：INTVCC解耦电容应靠近IC连接，可添加1µF陶瓷电容以提高噪声性能。
• 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）应远离敏感小信号节点。
• 接地技术：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、总结

LTC3890 - 1是一款功能强大、性能出色的双路降压开关稳压器DC/DC控制器，具有宽输入输出电压范围、低静态电流、多种工作模式、相位锁定功能等优点。在实际设计中，需要根据具体应用场景合理选择电流检测方法、电感、功率MOSFET、电容等组件，并注意PCB布局，以实现高效、稳定的电源设计。希望本文能为电子工程师在使用LTC3890 - 1进行设计时提供一些参考和帮助。你在使用LTC3890 - 1的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享。