LT8616：高效双路同步降压调节器的设计与应用

引言

在电子设计领域，电源管理是一个关键环节。一款高性能的降压调节器能够为系统提供稳定的电源，提高系统的可靠性和效率。今天，我们要介绍的是 Linear Technology 公司的 LT8616 双路 42V 同步单片降压调节器，它以其低静态电流、宽输入电压范围等特性，在汽车、工业等众多领域有着广泛的应用前景。

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LT8616 概述

关键特性

• 宽输入电压范围：支持 3.4V 至 42V 的输入电压，能够适应多种电源环境。
• 双路独立输出：包含 2.5A 和 1.5A 的降压调节器，且具有独立的输入，可满足不同负载的需求。
• 快速最小开关导通时间：仅 35ns 的最小开关导通时间，能够实现高效的功率转换。
• 超低静态电流：在 Burst Mode® 操作下，静态电流低至 6.5µA，在调节 (12V{IN}) 至 (5V{OUT}) 和 (3.3V_{OUT}) 输出时，输出纹波小于 15mV。
• 180° 异相开关：减少了开关噪声和输入电流纹波。
• 可调节开关频率：开关频率可在 200kHz 至 3MHz 范围内调节，并且可同步至 250kHz 至 3MHz 的外部时钟。
• 准确的使能引脚阈值：使能引脚具有准确的 1V 阈值，可用于编程欠压锁定。
• 内部补偿：采用内部补偿和峰值电流模式拓扑，允许使用小电感，实现快速瞬态响应和良好的环路稳定性。
• 输出软启动和跟踪：支持输出软启动和跟踪功能，可防止启动时的电流冲击。

应用领域

• 汽车和工业电源：为汽车电子系统和工业设备提供稳定的电源。
• 通用降压应用：适用于各种需要降压转换的场合。

电气特性

静态电流

在不同的工作模式和条件下，LT8616 的静态电流表现出色。例如，当 EN/UV1 = EN/UV2 = 0V 时，从 (V{IN1}) 吸取的电流仅为 1.7µA；在 Burst Mode 下，不开关时从 (V{IN1}) 吸取的电流为 3.0 - 12.0µA。

反馈电压

反馈电压（FB Voltage）在不同的输入电压和负载条件下保持稳定，典型值为 790mV，且具有良好的线性调节率。

开关特性

SW1 和 SW2 的最小导通时间在负载为 0.25A 的脉冲跳过模式下，典型值为 35ns，能够实现快速的开关动作。同时，开关的导通电阻和电流限制也确保了系统的安全和稳定运行。

引脚功能详解

BIAS 引脚

当连接到高于 3.1V 的电压时，为内部调节器供电。对于 3.3V 及以上的输出电压，应将该引脚连接到相应的 (V{OUT})。若连接到非 (V{OUT1}) 或 (V_{OUT2}) 的电源，需连接一个 1µF 的旁路电容；若不使用，则接地。

BOOST1 和 BOOST2 引脚

用于为内部顶部功率开关提供高于输入电压的驱动电压。应在 BOOST 引脚和相应的 SW 引脚之间尽可能靠近 IC 放置 0.1µF 的电容，以确保良好的性能。

EN/UV1 和 EN/UV2 引脚

用于独立禁用或启用每个通道。当引脚拉低时，相应通道关闭；拉高时，通道开启。滞回阈值电压上升时为 1.03V，下降时为 0.98V。若不使用关机功能，可将其连接到 (V{IN})；也可使用外部电阻分压器从 (V{IN}) 编程阈值，以在低于特定电压时禁用通道。

FB1 和 FB2 引脚

被调节到 0.790V。应将反馈电阻分压器的抽头连接到这些引脚，并在 FB 引脚和 (V_{OUT}) 节点之间连接相位超前电容，典型值为 1.5pF 至 10pF。

GND 引脚

GND 引脚和外露焊盘必须连接到输入电容的负端，并焊接到 PCB 上，以降低热阻。

(INTV_{CC}) 引脚

为内部栅极驱动器和控制电路提供电源。若 (V{BIAS} > 3.1V)，电流将从 BIAS 引脚获取；否则，将从 (V{IN1}) 吸取电流。该引脚需使用至少 1μF 的低 ESR 陶瓷电容进行去耦，且不要用外部电路加载该引脚。

NC 引脚

无内部连接。可将其浮空以提高容错能力，或连接到地以方便 PCB 布局。

PG1 和 PG2 引脚

是内部电源良好比较器的开漏输出。当相应的 FB 引脚电压在最终调节电压的 ±10% 范围内且无故障条件时，PG 引脚保持高阻态，通常通过外部电阻上拉；否则，内部下拉器件将引脚拉低。

RT 引脚

通过在 RT 引脚和地之间连接一个电阻来设置开关频率。

SW1 和 SW2 引脚

是每个通道内部功率开关的输出。应将这些引脚连接到电感和升压电容，并且在 PCB 上应尽量减小 SW 节点的面积，以提高性能。

SYNC/MODE 引脚

接地时，在低输出负载下实现低纹波 Burst Mode 操作；连接到时钟源时，可同步到外部频率；施加 2.4V 或更高的直流电压或连接到 (INTV_{CC}) 时，进入脉冲跳过模式。在脉冲跳过模式下，每个通道的静态电流将增加到几百 μA。

TR/SS1 和 TR/SS2 引脚

用于软启动两个通道，允许一个通道跟踪另一个输出，或使两个通道跟踪另一个输出。对于跟踪功能，可从被跟踪的输出连接一个电阻分压器到 TR/SS 引脚；对于软启动，可在 TR/SS 引脚连接一个电容。内部 2μA 的上拉电流会对软启动电容充电，产生电压斜坡。当 TR/SS 电压低于 0.79V 时，LT8616 会将相应的 FB 引脚调节到等于 TR/SS 引脚电压；当 TR/SS 电压高于 0.79V 时，跟踪功能禁用，内部参考恢复对误差放大器的控制。在关机和故障条件下，TR/SS 引脚会通过内部 250Ω 的 MOSFET 拉低；若从低阻抗输出驱动，需使用串联电阻。

(V{IN1}) 和 (V{IN2}) 引脚

(V{IN1}) 为 LT8616 的内部电路和通道 1 的顶部功率开关提供电流，必须进行局部旁路。即使仅使用通道 2，(V{IN1}) 也必须连接到 3.4V 或更高的电压。(V{IN2}) 为内部通道 2 的顶部功率开关提供电流，同样需要局部旁路，且 (V{IN1}) 必须为 3.4V 或更高才能使通道 2 正常工作。

工作原理

LT8616 是一款双路单片、恒定频率、峰值电流模式的降压 DC/DC 转换器。其工作过程如下：

1. 开关控制：通过 RT 引脚的电阻设置振荡器频率，在每个时钟周期开始时，内部顶部功率开关导通，电感电流开始增加。当顶部开关电流比较器触发时，顶部功率开关关闭。
2. 电流调节：误差放大器通过比较 FB 引脚电压与内部 0.790V 参考电压，调节内部 (V{C}) 节点的电压，从而控制顶部开关关闭时的峰值电感电流。当负载电流增加时，反馈电压相对参考电压降低，误差放大器会提高 (V{C}) 电压，使平均电感电流匹配新的负载电流。
3. 同步开关：顶部功率开关关闭后，同步功率开关导通，直到下一个时钟周期开始或电感电流降至零。
4. 过载保护：如果过载导致底部开关电流超过谷值电流限制，下一个时钟周期将延迟，直到电流恢复到安全水平。
5. 模式选择：每个通道可以独立进入 Burst Mode 操作，以在轻负载时优化效率。在 Burst Mode 下，输出开关控制相关的所有电路在脉冲之间关闭，减少输入电源电流。也可以通过 SYNC/MODE 引脚选择脉冲跳过模式，在该模式下，振荡器持续工作，开关转换与时钟对齐，轻负载时通过跳过开关脉冲来调节输出，每个通道的静态电流为几百 μA。
6. 电源供应：当 BIAS 引脚偏置在 3.1V 或以上时，内部电路的电源可以从该引脚获取；否则，将从 (V_{IN1}) 吸取电流。
7. 输出监测：比较器监测 FB 引脚电压，若输出电压与调节电压的偏差超过 ±10%（典型值）或存在故障条件，相应的 PG 引脚将被拉低。
8. 软启动和跟踪：通过 TR/SS 引脚向外部软启动电容提供恒定电流，产生电压斜坡，实现跟踪软启动。在软启动过程中，FB 电压被调节到 TR/SS 引脚电压，直到其超过 0.790V，之后 FB 电压调节到 0.790V 参考电压。软启动还会降低谷值电流限制，以避免启动时的浪涌电流。在关机、(V_{IN1}) 欠压或热关机时，软启动电容会被复位。

应用设计要点

实现超低静态电流

为了在轻负载时提高效率，LT8616 采用低纹波 Burst Mode 操作。在该模式下，LT8616 向输出电容提供单个小电流脉冲，然后进入睡眠期，由输出电容提供输出功率。睡眠模式下，LT8616 消耗 3μA 电流。随着输出负载降低，单个电流脉冲的频率降低，睡眠模式时间增加，从而提高了轻负载效率。为了优化轻负载时的静态电流性能，应尽量减小反馈电阻分压器中的电流，因为它会作为负载电流影响输出。

FB 电阻网络

输出电压通过输出和 FB 引脚之间的电阻分压器进行编程。选择电阻值时，可根据公式 (R1 = R2left(frac{V{OUT1}}{0.790V}-1right)) 进行计算。为了保持输出电压的准确性，建议使用 1% 的电阻。若需要低输入静态电流和良好的轻负载效率，应使用较大的电阻值。反馈电阻分压器中的电流会增加转换器的无负载输入电流，其计算公式为 (I{Q}=3mu A+left(frac{V{OUT1}}{R1 + R2}right)left(frac{V{OUT1}}{V_{IN1}}right)left(frac{1}{eta}right))，其中 3µA 为静态电流，第二项为反馈分压器中的电流在通道 1 轻负载效率 η 下反射到输入的电流。

设置开关频率

LT8616 采用恒定频率 PWM 架构，可通过在 RT 引脚和地之间连接电阻来编程开关频率，范围为 200kHz 至 3MHz。所需的 (R{T}) 电阻值可通过公式 (R{T}=frac{0.6}{f{SW}^{2}}+frac{42.6}{f{SW}}-6.1) 计算，其中 (R{T}) 单位为 (kOmega)，(f{SW}) 为所需的开关频率（单位为 MHz）。两个通道的开关相位相差 180°，以避免开关边沿噪声和输入电流纹波。

开关频率的选择与权衡

选择开关频率时，需要在效率、元件尺寸和输入电压范围之间进行权衡。高频操作的优点是可以使用较小的电感和电容值，但缺点是效率较低，且全频率操作的输入电压范围较小。对于给定应用，最高开关频率 (f{SW(MAX)}) 可通过公式 (f{SW(MAX)}=frac{V{OUT}+V{SW(BOT)}}{t{ON(MIN)}(V{IN}-V{SW(TOP)}+V{SW(BOT)})}) 计算，其中 (V{IN}) 为典型输入电压，(V{OUT}) 为输出电压，(V{SW(TOP)}) 和 (V{SW(BOT)}) 分别为内部开关压降，(t{ON(MIN)}) 为最小顶部开关导通时间。对于不允许在低 (V{IN}/V{OUT}) 比下偏离编程开关频率的应用，可使用公式 (V{IN(MIN)}=frac{V{OUT}+V{SW(BOT)}}{1 - f{SW}cdot t{OFF(MIN)}}-V{SW(BOT)}+V{SW(TOP)}) 设置开关频率。

电感选择和最大输出电流

电感的选择应根据应用的输出负载要求进行。一个较好的电感值选择公式为 (L1=frac{V{OUT1}+V{SW1(BOT)}}{f{SW}}cdot1.6) 和 (L2=frac{V{OUT2}+V{SW2(BOT)}}{f{SW}})，其中 (f{SW}) 为开关频率（单位为 MHz），(V{OUT}) 为输出电压，(V{SW(BOT)}) 为底部开关压降。为了避免过热和效率低下，电感的 RMS 电流额定值应大于应用的最大预期输出负载，且饱和电流（通常标记为 (I{SAT})）额定值应高于负载电流加上电感纹波电流的一半。最大输出电流 (I{OUT(MAX)}) 取决于开关电流限制、电感值以及输入和输出电压，计算公式为 (I{OUT(MAX)}=I{LIM}-frac{Delta I{L}}{2})，其中 (Delta I{L}) 为电感纹波电流，可通过公式 (Delta I{L}=frac{V{OUT}}{Lcdot f{SW}}cdotleft(1-frac{V{OUT}}{V{IN(MAX)}}right)) 计算。每个通道还有一个二次谷值电流限制，当顶部开关关闭后，底部开关承载电感电流。如果电感电流过高，底部开关将保持导通，延迟顶部开关导通，直到电感电流恢复到安全水平。

输入电容

应使用 X7R 或 X5R 类型的陶瓷电容对 LT8616 电路的输入进行旁路，将其尽可能靠近 (V_{IN}) 和 GND 引脚放置。Y5V 类型的电容在温度和施加电压变化时性能较差，不应使用。2.2μF 至 10μF 的陶瓷电容足以旁路 LT8616，并能轻松处理纹波电流。当使用较低开关频率时，需要更大的输入电容。如果输入电源具有高阻抗或由于长电线或电缆存在显著电感，则可能需要额外的大容量电容，可使用低性能电解电容。输入电容的作用是减少 LT8616 处的电压纹波，并将高频开关电流限制在局部回路中，以最小化 EMI。

输出电容和输出纹波

输出电容有两个重要功能：一是与电感一起过滤 LT8616 产生的方波，产生直流输出，因此在开关频率下具有低阻抗很重要；二是存储能量以满足瞬态负载并稳定 LT8616 的控制环路。陶瓷电容具有极低的等效串联电阻（ESR），能提供最佳的纹波性能。建议使用 X5R 或 X7R 类型的电容，以获得低输出纹波和良好的瞬态响应。增加输出电容值可以降低输出电压纹波，但可能会增加成本和占用空间；减小输出电容值可以节省空间和成本，但可能会影响瞬态性能并导致环路不稳定。在选择电容时，应注意根据数据手册计算在相关电压偏置和温度条件下的有效电容值，可能需要使用物理尺寸更大或电压额定值更高的电容。

使能引脚

当两个 EN/UV 引脚都为低电平时，LT8616 处于关机状态；当任一引脚为高电平时，LT8616 处于激活状态。EN/UV 比较器的上升阈值为 1.03V，具有 50mV 的滞回。如果不使用关机功能，可将 EN/UV 引脚连接到 (V{IN})；如果需要关机控制，可将其连接到逻辑电平。通过从 (V{IN}) 到 EN/UV 引脚添加电阻分压器，可以编程 LT8616 仅在 (V_{IN}) 高于所需电压时工作，以避免在低输入电压条件下出现问题。

(INTV_{CC}) 调节器

内部低压差（LDO）调节器从 (V{IN1}) 产生 3.4V 电源，为驱动器和内部偏置电路供电。因此，要使用任一通道，(V{IN1}) 必须存在且有效。(INTV_{CC}) 引脚为 LT8616 的电路提供电流，必须使用 1μF 的陶瓷电容进行去耦，以提供功率 MOSFET 栅极驱动器所需