LT8708：高性能4開關升降壓控制器的深度解析與應用

在電子工程師的日常工作里，一款性能卓越的DC/DC控制器往往能起到事半功倍的效果。今天，我們就來深入探討一下LT8708這款高性能4開關升降壓控制器，看看它有哪些獨特之處以及如何在實際項目中應用。

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一、LT8708概述

LT8708是一款具備雙向電流和功率流動功能的高性能4開關升降壓控制器。它的輸入電壓可以高于、低于或等于輸出電壓，這種靈活性使其在眾多應用場景中都能大顯身手。該芯片具有六項獨立的調節功能，能夠對輸入輸出的電壓和電流進行精確控制，無論是正向還是反向的電流和功率流動都能輕松應對。它還支持同步整流，效率高達99%，并且有40引腳（5mm × 8mm）QFN和64引腳（10mm × 10mm）eLQFP兩種封裝可供選擇，滿足不同的應用需求，同時通過了AEC - Q100認證，可用于汽車應用。

二、主要特性分析

2.1 單電感設計

單電感的設計使得輸入電壓（(V{IN})）可以高于、低于或等于輸出電壓（(V{OUT})），大大簡化了電路設計。在不同的電壓條件下，它都能穩定工作，為工程師提供了更多的設計靈活性。

2.2 六項獨立調節

六項獨立的調節功能分別針對(V{IN})電流（正向和反向）、(V{OUT})電流（正向和反向）以及(V{IN})和(V{OUT})電壓。這意味著我們可以根據具體的應用需求，對各個參數進行精確控制，實現高效穩定的電源轉換。例如，在電池備份系統中，我們可以通過調節輸入輸出電流和電壓，確保電池的充電和放電過程安全高效。

2.3 雙向連續和不連續傳導模式

支持正向和反向的不連續傳導模式（DCM），這在輕載情況下可以提高效率。同時，還能在不同模式下切換，根據實際的負載情況選擇最合適的工作模式，進一步優化系統性能。

2.4 寬輸入輸出電壓范圍

(V{IN})范圍為2.8V（需要(EXTV{CC}>6.4V)）到80V，(V_{OUT})范圍為1.3V到80V，如此寬的電壓范圍使得它能夠適配大多數太陽能、汽車、電信和電池供電系統。無論是高電壓還是低電壓的應用場景，LT8708都能輕松勝任。

2.5 同步整流

同步整流技術的應用使得效率最高可達99%，這對于提高系統的整體能效至關重要。在能源日益寶貴的今天，高效的電源轉換能夠降低功耗，減少散熱需求，延長設備的使用壽命。

三、引腳功能詳解

LT8708的引腳功能豐富多樣，每個引腳都在電路中扮演著重要的角色。

3.1 時鐘與同步相關引腳

• CLKOUT（Pin 1/Pin 63）：時鐘輸出引腳。可以用來同步一個或多個兼容的開關穩壓器IC，其頻率與內部振蕩器或SYNC引腳相同，但相位大約相差180°。此外，該引腳的占空比與芯片的結溫呈線性關系，還可以作為溫度監測引腳使用，并且可以驅動高達200pF的電容負載。
• SYNC（Pin 14/Pin 14）：用于將開關頻率同步到外部時鐘。只需要給這個引腳輸入一個時鐘信號即可，時鐘信號的高電平需要超過1.3V，低電平應小于0.5V。當將該引腳驅動到小于0.5V時，芯片將恢復到內部自由運行的時鐘模式。

3.2 電壓反饋與監測引腳

• FBIN（Pin 8/Pin 8）：(V{IN})反饋引腳。連接到誤差放大器EA3的輸入端，用于檢測和調節低(V{IN})電壓。通過合理設置反饋電路，可以精確控制輸入電壓，確保系統在不同的輸入電壓條件下都能穩定工作。
• FBOUT（Pin 9/Pin 9）：(V{OUT})反饋引腳。連接到誤差放大器EA4的輸入端，用于檢測和調節高(V{OUT})電壓。同樣，通過反饋電路的設計，可以實現對輸出電壓的精確控制。
• VINHIMON（Pin 27/Pin 39）：(V{IN})高電壓監測引腳。連接一個±1%的電阻分壓器，可以設置(V{IN})的過電壓水平。當(V{IN})高于這個設定值時，通過拉低RVSOFF引腳來禁用反向傳導，防止電流流入(V{IN})，起到保護作用。
• VOUTLOMON（Pin 26/Pin 38）：(V{OUT})低電壓監測引腳。連接電阻分壓器可設置(V{OUT})的欠電壓水平。當(V{OUT})低于這個設定值時，禁用反向傳導，防止從(V{OUT})吸取電流，保護負載和電池。

3.3 電流監測與限制引腳

• IMON_INP（Pin 11/Pin 11）：正向(V{IN})電流監測和限制引腳。該引腳輸出的電流是20μA加上與正向平均(V{IN})電流成比例的電流。通過連接到誤差放大器EA5，可以限制最大正向(V_{IN})電流，確保系統的安全性和穩定性。
• IMON_INN（Pin 12/Pin 12）：反向(V{IN})電流監測和限制引腳。與IMON_INP類似，用于監測和限制反向(V{IN})電流。
• ICP（Pin 28/Pin 40）：正向(V_{OUT})電流監測引腳。輸出電流與IMON_OP類似，但在特定的工作模式下有不同的表現。通常需要連接一個17.4k的電阻到地。
• ICN（Pin 6/Pin 6）：反向(V{OUT})電流監測引腳。同樣需要連接一個17.4k的電阻到地，用于監測反向(V{OUT})電流。

3.4 開關控制與使能引腳

• SHDN（Pin 3/Pin 3）： shutdown引腳。將其拉高可以使能芯片，接地則可以關閉芯片并將靜態電流降至最低。在實際應用中，我們可以通過控制這個引腳來實現系統的節能管理。
• SWEN（Pin 36/Pin 58）：開關穩壓器使能引腳。需要通過一個電阻拉高來使能開關。當該引腳電壓低于激活閾值時，芯片上的電流檢測電路將被禁用。在啟動過程中，這個引腳起到了關鍵的控制作用。
• MODE（Pin 37/Pin 59）：傳導模式選擇引腳。通過施加不同的電壓，可以選擇連續傳導模式（CCM）、混合傳導模式（HCM）、不連續傳導模式（DCM）或Burst Mode操作。根據不同的負載情況和效率要求，選擇合適的傳導模式可以優化系統性能。
• DIR（Pin 7/Pin 7）：方向引腳。在MODE設置為DCM或HCM操作時使用，用于選擇功率流動的方向。連接到GND時，功率從(V{OUT})流向(V{IN})；連接到LDO33時，功率從(V{IN})流向(V{OUT})。

四、工作模式與操作原理

4.1 啟動過程

啟動過程分為多個階段，主要由SHDN和SWEN引腳控制。當SHDN引腳電壓低于0.35V（LT8708E、LT8708I）或0.3V（LT8708H）時，芯片處于禁用狀態，靜態電流最小。當SHDN電壓高于1.221V時，(INTV_{CC})和LDO33調節器被啟用，但開關穩壓器尚未啟動。接下來，需要將SWEN引腳通過電阻拉高，使其電壓超過激活閾值（典型值為1.208V），開關穩壓器才能正式啟動。在啟動過程中，還涉及到軟啟動階段，通過緩慢升高SS引腳的電壓，實現對電感電流和輸出電壓的平滑控制，避免電流沖擊。

4.2 控制概述

LT8708是一款電流模式控制器，它通過內部的六個誤差放大器（EA1 - EA6）來控制(V{C})引腳的電壓，從而實現對電感電流和功率流動的精確控制。這六個誤差放大器分別用于限制或調節不同的電壓和電流參數，如正向和反向的(V{IN})電流、(V{OUT})電流以及(V{IN})和(V_{OUT})電壓。通過合理設置這些誤差放大器的參數，我們可以根據具體的應用需求對系統進行精確控制。

4.3 功率開關控制

根據輸入輸出電壓的關系，LT8708可以工作在降壓、升壓和升降壓三種模式下。在不同的模式下，功率開關的控制方式也有所不同。

4.3.1 降壓模式（(V{IN} gg V{OUT})）

在降壓模式下，M3開關始終關閉，M4開關始終打開。在每個開關周期開始時，同步開關M2先打開，通過放大器A4檢測電感電流，并添加斜坡補償信號后與(V_{C})引腳的參考電壓進行比較。當檢測到的電感電流低于參考值時，M2開關關閉，M1開關打開，直到周期結束。這樣，M1和M2開關交替工作，實現了降壓功能。

4.3.2 升降壓模式（(V{IN} cong V{OUT})）

在升降壓模式下，工作過程較為復雜。如果控制器從M2和M4開關打開開始，先按降壓模式工作。當A5觸發時，M2開關關閉，M1開關打開，直到時鐘周期的中間。然后，M4開關關閉，M3開關打開，按升壓模式工作，直到A2觸發。最后，M3開關關閉，M4開關打開，直到周期結束。反之，如果從M1和M3開關打開開始，則先按升壓模式工作，再按降壓模式工作。

4.3.3 升壓模式（(V{IN} ll V{OUT})）

在升壓模式下，M1開關始終打開，M2開關始終關閉。在每個開關周期開始時，M3開關先打開，檢測電感電流并添加斜坡補償信號后與(V_{C})引腳的參考電壓進行比較。當電感電流高于參考值時，M3開關關閉，M4開關打開，直到周期結束。M3和M4開關交替工作，實現升壓功能。

4.4 單向和雙向傳導模式

LT8708具有一種雙向傳導模式（CCM）和三種單向傳導模式（DCM、HCM和Burst Mode）。雙向傳導模式允許電流和功率在(V{IN})和(V{OUT})之間雙向流動，由(V_{C})引腳控制。單向傳導模式則只允許電流和功率在一個方向上流動，通過MODE和DIR引腳進行選擇。例如，在DCM和HCM模式下，通過設置DIR引腳的電壓可以選擇正向或反向功率流動。此外，RVSOFF引腳可以禁用反向電流和功率流動，起到保護作用。

五、外部組件選擇與設計

5.1 工作頻率選擇

LT8708的工作頻率可以通過內部振蕩器設置，也可以同步到外部時鐘源。頻率范圍在100kHz到400kHz之間。選擇合適的工作頻率需要在效率和組件尺寸之間進行權衡。較低的頻率可以減少MOSFET的開關損耗，提高效率，但需要更大的電感和電容來維持低輸出紋波電壓。對于高功率應用，建議選擇較低的頻率以減少MOSFET的發熱。可以通過在RT引腳到地之間連接一個合適的電阻來設置內部振蕩器的頻率，也可以將SYNC引腳連接到外部時鐘源進行同步。

5.2 電感選擇

電感的選擇對于系統性能至關重要。為了實現高效率，應選擇具有低磁芯損耗（如鐵氧體）和低直流電阻的電感，以減少(I^{2}R)損耗，并且能夠承受峰值電感電流而不發生飽和。在選擇電感值時，需要考慮多個因素，如負載電流、避免次諧波振蕩以及最大電流額定值等。通過相關的計算公式，可以確定滿足系統要求的最小電感值。例如，在升壓模式下，為了提供足夠的正向(V_{OUT})電流，需要根據公式計算出最小電感值；為了避免次諧波振蕩，也有相應的計算公式來確定電感的最小值。

5.3 功率MOSFET選擇

LT8708需要四個外部N溝道功率MOSFET，包括兩個頂部開關（M1和M4）和兩個底部開關（M2和M3）。選擇MOSFET時，需要考慮擊穿電壓(V{BR, DSS})、閾值電壓(V{GS,TH})、導通電阻(R{DS(ON)})、輸出電容(C{oss})和最大電流(I{DS(MAX)})等參數。由于門極驅動電壓由6.3V的(GATEV{CC})電源提供，因此必須使用邏輯電平閾值的MOSFET。在實際應用中，還需要考慮功率損耗問題，過高的功率損耗可能會導致MOSFET過熱損壞。可以通過計算各個MOSFET在不同工作模式下的功率損耗，選擇合適的MOSFET，并可以考慮使用多個MOSFET并聯來降低單個器件的功率損耗。

5.4 電容選擇

(V{IN})和(V{OUT})電容的作用是抑制開關電源中不連續電流引起的電壓紋波。通常采用多個電容并聯的方式，以實現高電容值和低等效串聯電阻（ESR）。對于(V{IN})電容，在降壓模式下，不連續的(V{IN})電流較大，因此需要選擇具有低ESR和足夠容量的電容，以確保能夠處理最大RMS電流，并減少電壓紋波。對于(V{OUT})電容，在升壓模式下，不連續的(V{OUT})電流較大，同樣需要低ESR和足夠容量的電容來減少電壓紋波。陶瓷電容具有良好的低ESR特性，可以放置在調節器的輸入和輸出端，以抑制高頻開關尖峰。

5.5 肖特基二極管選擇

肖特基二極管（D1、D2、D3、D4）在正向傳導和反向傳導過程中起到了重要的作用。在功率MOSFET開關導通的死區時間內，肖特基二極管導通，防止同步開關的體二極管導通并存儲電荷，從而提高轉換器的效率，減少開關的功率損耗和電感電流檢測電阻的噪聲。在選擇肖特基二極管時，對于高輸入或輸出電壓的應用，應避免選擇具有過高反向泄漏電流的二極管，特別是在高溫環境下。同時，應選擇具有較低熱阻的封裝，以減少二極管的自熱。

5.6 頂部MOSFET驅動器電源組件選擇

頂部MOSFET驅動器（TG1和TG2）由浮動的自舉電容(C{B1})和(C{B2})供電，這些電容通常通過外部硅二極管(D{B1})和(D{B2})在相應的頂部MOSFET關閉時充電。電容需要存儲大約100倍于頂部開關M1和M4所需的柵極電荷。在大多數應用中，0.1μF到0.47μF的X5R或X7R介質電容就足夠了。(GATEV{CC})到地的旁路電容應至少是(C{B1})或(C{B2})電容的10倍。對于硅二極管(D{B1})和(D{B2})，建議選擇具有高于(V{IN(MAX)})和(V_{OUT(MAX)})的反向擊穿電壓額定值，并且在最大工作結溫下反向泄漏電流小于1mA的二極管，以防止熱失控。

六、設計示例分析

下面以一個具體的設計示例來說明如何使用LT8708進行電路設計。

6.1 設計參數

• (V_{IN})范圍：8V到25V
• (V_{IN})調節電壓（由FBIN環路設置）：12V
• (V_{OUT})調節電壓（由FBOUT設置）：12V
• (I_{OUT(MAX, FWD)})：5A
• (I_{IN(MAX, RVS)})：3A
• 開關頻率：150kHz
• 工作模式：CCM
• 最大環境溫度：60°C

6.2 設計步驟

6.2.1 功率流驗證

首先，根據設計參數確定Table 6(a)中適用的條件。在這個設計示例中，VINHIMON和VOUTLOMON被禁用，因此需要關注特定的條件。然后，使用Table 6(b)檢查每個適用條件下的功率流動是否符合預期。通過這種方式，可以確保在各種輸入輸出電壓條件下，功率能夠按照設計要求流動。

6.2.2 (R_{T})電阻選擇

根據所需的開關頻率