LTC7820：高效固定比率無電感DC/DC控制器的深度解析

在電子工程領(lǐng)域，DC/DC控制器是電源管理中的關(guān)鍵組件，其性能直接影響著整個系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。今天要給大家介紹的是Analog Devices的LTC7820，一款固定比率的高壓高功率開關(guān)電容/電荷泵控制器，它在多個應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。

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一、LTC7820的核心特性

1. 高效率與低EMI

LTC7820采用軟開關(guān)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)99%的峰值效率，同時有效降低電磁干擾（EMI）。這一特性使得它在對效率和電磁兼容性要求較高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，比如通信系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用。

2. 寬電壓范圍

它具有寬泛的輸入輸出電壓范圍。對于電壓分壓器（2:1），其最大輸入電壓（VIN Max）可達(dá)72V；而對于電壓倍增器（1:2）和反相器（1:1），最大輸入電壓為36V。此外，偏置電壓（VCC）范圍為6V至72V，擴(kuò)展電源輸入（EXTVCC）為6.5V至40V，能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。

3. 頻率靈活性

該控制器的工作頻率范圍為100kHz至1MHz，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求靈活選擇合適的頻率，以平衡效率和組件尺寸。

4. 全面保護(hù)功能

具備輸入電流感應(yīng)和過流保護(hù)功能，能夠及時檢測并應(yīng)對過流情況。同時，還提供輸出短路、過壓（OV）和欠壓（UV）保護(hù)，并帶有可編程定時器和重試機(jī)制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5. 緊湊封裝

采用熱增強(qiáng)型28引腳4mm × 5mm QFN封裝，在保證散熱性能的同時，節(jié)省了電路板空間，適合對尺寸有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。

二、典型應(yīng)用場景

1. 總線轉(zhuǎn)換器

在總線轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，LTC7820能夠高效地實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。其高功率密度和高效率特性，有助于減少能量損耗，提高系統(tǒng)整體性能。

2. 高功率分布式電源系統(tǒng)

對于高功率分布式電源系統(tǒng)，LTC7820可以在不同電壓等級之間進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)中各個模塊的電源需求。同時，其全面的保護(hù)功能能夠確保系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

3. 通信系統(tǒng)

在通信系統(tǒng)中，對電源的穩(wěn)定性和電磁兼容性要求極高。LTC7820的低EMI特性和高效率能夠有效減少對通信信號的干擾，為通信設(shè)備提供可靠的電源支持。

4. 工業(yè)應(yīng)用

工業(yè)環(huán)境通常較為惡劣，對電源的可靠性和適應(yīng)性要求較高。LTC7820的寬電壓范圍和全面保護(hù)功能，使其能夠在工業(yè)應(yīng)用中穩(wěn)定工作，為各種工業(yè)設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。

三、工作原理與操作要點(diǎn)

1. 主控制邏輯

LTC7820是一款恒頻開環(huán)開關(guān)電容/電荷泵控制器。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，N溝道MOSFET以約50%的占空比在預(yù)編程的開關(guān)頻率下導(dǎo)通和關(guān)斷。其中，M1和M3同步導(dǎo)通和關(guān)斷，M2和M4與M1、M3互補(bǔ)導(dǎo)通和關(guān)斷。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。

2. 電源供應(yīng)

內(nèi)部5.5V線性穩(wěn)壓器通常從VCC為INTVCC供電。當(dāng)VCC連接到高輸入電壓時，如果EXTVCC引腳電壓高于6.5V且VCC高于7V，則可啟用第二個5.5V線性穩(wěn)壓器，由EXTVCC為INTVCC供電，以提高效率。每個頂部MOSFET驅(qū)動器由浮動自舉電容CB偏置，在相應(yīng)的頂部MOSFET關(guān)斷時，通過外部肖特基二極管在每個關(guān)斷周期內(nèi)對其進(jìn)行充電。

3. 啟動與關(guān)機(jī)

當(dāng)RUN引腳電壓低于1.14V時，LTC7820進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，此時大部分內(nèi)部電路關(guān)閉，功耗極低。當(dāng)RUN引腳電壓高于1.22V時，內(nèi)部電路啟動。在啟動過程中，LTC7820會監(jiān)測VHIGH_SENSE和VLOW_SENSE電壓，只有當(dāng)VLOW_SENSE電壓接近VHIGH_SENSE電壓的一半，或者兩者都接近地時，才會開始切換。

4. 故障保護(hù)與熱關(guān)機(jī)

LTC7820會實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，當(dāng)出現(xiàn)故障時，會停止切換并拉低FAULT引腳。要清除電壓故障，VLOW_SENSE引腳電壓必須在VHIGH_SENSE電壓一半的編程窗口內(nèi)；清除電流故障，ISENSE+和ISENSE - 引腳之間的電壓降必須低于50mV；清除溫度故障，IC溫度必須低于165°C。FAULT引腳可通過外部電阻上拉至最高80V，用于控制外部斷開FET，在故障時隔離輸入和輸出。

5. 高頻側(cè)電流感應(yīng)

為實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，LTC7820在高壓側(cè)使用一個感應(yīng)電阻。當(dāng)ISENSE+引腳電壓比ISENSE - 引腳電壓高50mV時，觸發(fā)過流故障，拉低FAULT引腳。為防止浪涌電流誤觸發(fā)過流保護(hù)，需要在ISENSE+和ISENSE - 引腳處使用RC濾波器，其時間常數(shù)應(yīng)大于一個開關(guān)周期。

6. 頻率選擇

開關(guān)頻率的選擇需要在效率和組件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。較低的頻率可以降低MOSFET的開關(guān)損耗，提高效率，但需要更大的電容來保持低輸出紋波電壓和低輸出阻抗。FREQ引腳可用于將控制器的工作頻率從100kHz編程到1MHz，通過連接一個電阻到地來設(shè)置電壓，從而實(shí)現(xiàn)頻率編程。

7. 電源良好和UV指示

當(dāng)UV引腳電壓低于1V時，PGOOD引腳被拉低；當(dāng)RUN引腳低或LTC7820啟動時，PGOOD引腳也會被拉低。只有當(dāng)LTC7820正在切換且UV引腳高于1V時，PGOOD引腳才會釋放。PGOOD信號可用于啟用或禁用輸出負(fù)載，方便與其他設(shè)備進(jìn)行接口。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電壓分壓器預(yù)平衡

在電壓分壓器應(yīng)用中，啟動或故障時電容之間的電壓差可能很大，導(dǎo)致充電電流過大，損壞MOSFET。LTC7820提供了預(yù)平衡方法，在啟動時檢測VLOW_SENSE電壓，并與VHIGH_SENSE/2進(jìn)行比較。如果VLOW_SENSE電壓過低，會向VLOW引腳提供93mA電流；如果過高，則從VLOW引腳吸收50mA電流。只有當(dāng)VLOW_SENSE電壓接近VHIGH_SENSE/2且在預(yù)編程窗口內(nèi)時，才會開始切換。需要注意的是，預(yù)平衡啟動時，VLOW（輸出）處的負(fù)載電流應(yīng)非常小（小于50mA），否則可能無法啟動。

2. 電壓倍增器和反相器啟動

在電壓倍增器和反相器應(yīng)用中，如果輸入電壓從零緩慢上升，LTC7820可以在無電容浪涌充電電流的情況下啟動。通過在輸入處使用斷開FET或熱插拔控制器來實(shí)現(xiàn)輸入電壓的斜率控制。與電壓分壓器不同，電壓倍增器和反相器每次都必須從零輸入電壓啟動，但可以直接帶重負(fù)載電流啟動。

3. 過流保護(hù)

LTC7820通過高壓側(cè)的感應(yīng)電阻實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。當(dāng)ISENSE+引腳電壓比ISENSE - 引腳電壓高50mV時，觸發(fā)過流故障，停止切換并進(jìn)入重試模式。為防止浪涌電流誤觸發(fā)，需要在ISENSE+和ISENSE - 引腳處使用RC濾波器。通過選擇不同的感應(yīng)電阻值，可以設(shè)置不同的電流限制。

4. 窗口比較器編程

窗口比較器用于監(jiān)測VLOW_SENSE電壓與VHIGH_SENSE/2的差值。通過在HYS_PRGM引腳和地之間連接一個電阻，可以編程窗口比較器的兩個閾值。在正常運(yùn)行和啟動過程中，VHIGH_SENSE/2電壓必須在（VLOW_SENSE ± 窗口電壓）范圍內(nèi)，否則觸發(fā)故障。在輸入線瞬變時，只要每個開關(guān)周期內(nèi)輸入電壓的變化小于窗口滯后電壓，LTC7820就會繼續(xù)切換，輸出電壓會逐周期跟蹤輸入電壓。

5. 有效開環(huán)輸出電阻和負(fù)載調(diào)節(jié)

LTC7820雖然沒有閉環(huán)反饋系統(tǒng)來調(diào)節(jié)輸出電壓，但在使用大的飛跨電容和高開關(guān)頻率時，由于輸出電阻較低，輸出電壓對負(fù)載條件不太敏感。輸出電阻與開關(guān)頻率、飛跨電容和MOSFET導(dǎo)通電阻有關(guān)。在高功率應(yīng)用中，建議選擇開關(guān)頻率約為1 / (16CFLY RDS(ON))或更高，以獲得良好的負(fù)載調(diào)節(jié)和效率。

6. INTVCC調(diào)節(jié)器和EXTVCC

LTC7820內(nèi)部的PMOS LDO從VCC為INTVCC供電，為柵極驅(qū)動器和大部分內(nèi)部電路提供電源。當(dāng)EXTVCC電壓高于6.5V且VCC高于7V時，EXTVCC可通過另一個PMOS LDO為INTVCC供電。每個LDO可提供150mA的峰值電流，并且需要使用至少4.7μF的陶瓷電容或低ESR電解電容進(jìn)行旁路。在高輸入電壓應(yīng)用中，使用EXTVCC可以顯著降低IC溫度。

7. 頂部MOSFET驅(qū)動器電源

外部自舉電容CB1、CB2和CB3為頂部MOSFET M1、M2和M3提供柵極驅(qū)動電壓。電容CB3在SW3引腳為低電平時通過外部肖特基二極管DB3從INTVCC充電；電容CB2在SW3引腳為高電平時通過DB2從BOOST3充電；電容CB1在SW1引腳為低電平時通過DB1從BOOST2充電。自舉電容的取值應(yīng)為頂部MOSFET總輸入電容的100倍，外部肖特基二極管的反向擊穿電壓必須大于VLOW和地之間的最大工作電壓。

8. 欠壓鎖定

LTC7820的UVLO比較器會持續(xù)監(jiān)測INTVCC電壓，當(dāng)INTVCC低于4.9V時，鎖定切換動作。為防止INTVCC出現(xiàn)干擾時振蕩，UVLO比較器具有200mV的精確滯后。此外，還可以通過監(jiān)測輸入電源，使用電阻分壓器來控制RUN引腳，實(shí)現(xiàn)欠壓檢測。

9. 故障響應(yīng)和定時器編程

在故障條件下，LTC7820停止切換并拉低FAULT引腳。通過在TIMER引腳和地之間連接一個電容，可以設(shè)置故障排除后的重試啟動時間。在故障或啟動期間，TIMER引腳的電流會根據(jù)其電壓值進(jìn)行變化，當(dāng)電壓在0.5V至1.2V之間時，內(nèi)部預(yù)平衡電路會向VLOW引腳提供或吸收電流，將VLOW引腳電壓調(diào)節(jié)到VHIGH_SENSE/2。

10. 輸入/輸出電容和飛跨電容選擇

在高功率開關(guān)電容應(yīng)用中，飛跨電容和輸入/輸出電容會流過較大的交流電流，因此建議使用低ESR陶瓷電容。要確保電容的最大RMS電流在規(guī)格范圍內(nèi)，或者選擇額定RMS電流更高的電容。飛跨電容的RMS電流與電容值和開關(guān)頻率有關(guān)，為了在效率和功率密度之間取得良好的平衡，飛跨電容的RMS電流應(yīng)低于最大負(fù)載電流的140%。

11. 功率MOSFET和肖特基二極管選擇

每個LTC7820控制器需要選擇四個外部N溝道MOSFET，內(nèi)部柵極驅(qū)動器的驅(qū)動電壓取決于INTVCC電壓、肖特基二極管正向電壓降和開關(guān)頻率。在大多數(shù)應(yīng)用中，應(yīng)使用邏輯電平閾值MOSFET。外部肖特基二極管用于自舉電路，為浮動驅(qū)動器提供電壓，建議選擇正向電壓降較低的肖特基二極管，其反向擊穿電壓應(yīng)足夠高，以承受VLOW和地之間的最大工作電壓。

12. PCB布局要點(diǎn)

在進(jìn)行PCB布局時，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 頂部兩個N溝道MOSFET M1和M2應(yīng)彼此距離在1cm以內(nèi)，底部兩個N溝道MOSFET M3和M4也應(yīng)如此。
• 暴露的GND焊盤應(yīng)與底部MOSFET M4的源極和CvLow電容的負(fù)極牢固連接，在分壓器和倍增器應(yīng)用中，建議使用實(shí)心接地平面以改善噪聲和散熱。
• ISENSE+和ISENSE - 引腳的引線應(yīng)盡量靠近布線，ISENSE+和ISENSE - 之間的濾波電容應(yīng)盡可能靠近IC，采用開爾文連接確保精確的電流感應(yīng)。
• INTVCC旁路電容應(yīng)靠近IC連接在INTVCC和接地平面之間，可在INTVCC和GND旁邊額外放置一個1μF陶瓷電容以改善噪聲性能。
• 應(yīng)將開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW1、SW3）、頂部柵極節(jié)點(diǎn)（G1、G2、G3）和升壓節(jié)點(diǎn)（BOOST1、BOOST3）與敏感小信號節(jié)點(diǎn)保持距離，這些節(jié)點(diǎn)的信號變化大且快，應(yīng)位于LTC7820的輸出側(cè)，并盡量減小PCB走線面積。
• 使用改進(jìn)的星形接地技術(shù)，在輸入和輸出電容所在的PCB同一側(cè)設(shè)置一個低阻抗、大銅面積的中央接地點(diǎn)，并連接INTVCC旁路電容的底部。

五、設(shè)計(jì)實(shí)例

以一個高電壓高功率電壓分壓器設(shè)計(jì)為例，假設(shè)輸入電壓VIN = 48V（標(biāo)稱），VIN = 55V（最大），輸出電壓VOUT = 24V（標(biāo)稱），輸出電流IOUT = 15A（最大）。

• 開關(guān)頻率設(shè)置：為了最小化開關(guān)損耗，選擇低開關(guān)頻率200kHz。通過將一個60.4k/1%的電阻從Freq引腳連接到地來設(shè)置該頻率。
• 飛跨電容選擇：將飛跨電容CFLY的電壓紋波設(shè)置為輸出電壓的2%，計(jì)算得出CFLY約為78.125μF。考慮到陶瓷電容在24V直流偏置電壓下的容值降額，選擇16個10μF/X7R/50V的陶瓷電容并聯(lián)作為飛跨電容。每個電容的最壞情況RMS電流約為1.3125A，需確保其在電容的紋波電流額定值和溫度上升限制范圍內(nèi)。
• 輸出電容選擇：輸出電容的選擇與飛跨電容類似，更多的輸出電容可以減小輸出電壓紋波。由于輸出電容的RMS電流較低，其值可以比飛跨電容小很多。部分電容可以連接在輸入和輸出之間，同時作為輸入/輸出電容，但這些電容的電壓額定值應(yīng)根據(jù)輸入電壓選擇。
• MOSFET選擇：頂部MOSFET M1的漏源電壓應(yīng)高于最大輸入電壓，選擇Infineon BSC100N06LS作為M1；其他三個MOSFET的漏源電壓只需高于最大輸入電壓的一半，選擇BSC032N04LS作為M2、M3和M4。根據(jù)應(yīng)用部分的輸出電阻方程，輸出電阻約為20mΩ，在15A負(fù)載電流下，24V輸出端會有300mV的壓降。考慮到輸出電壓紋波，使用一個具有±1V編程滯后的窗口比較器來監(jiān)測輸出電壓，并與輸入電壓的一半進(jìn)行比較。通過將一個100k/1%的電阻從HYS_PRGM引腳連接到地來設(shè)置1V的滯后。

六、總結(jié)

LTC7820作為一款高性能的固定比率無電感DC/DC控制器，憑借其高效率、寬電壓范圍、全面的保護(hù)功能和靈活的頻率選擇等特性，在多個應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇組件參數(shù)，并注意PCB布局要點(diǎn)，以充分發(fā)揮LTC7820的性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源管理系統(tǒng)。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。