LT7176/LT7176 - 1：高性能同步降壓調(diào)節(jié)器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一下Analog Devices推出的LT7176/LT7176 - 1這兩款24A、4V單或雙相同步降壓調(diào)節(jié)器，看看它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中能為我們帶來哪些驚喜。

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產(chǎn)品概述

LT7176/LT7176 - 1是兩款采用Silent Switcher架構(gòu)的單芯片多相DC/DC同步降壓調(diào)節(jié)器，能夠提供高達(dá)24A的連續(xù)輸出電流。其中，LT7176 - 1具有兩個(gè)開關(guān)相位，可連接兩個(gè)電感來驅(qū)動(dòng)單個(gè)穩(wěn)壓輸出電源。它們的快速、干凈且低過沖的開關(guān)邊沿在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)，還能將電磁干擾（EMI）降至最低。同時(shí)，基于I2C的PMBus 1.3兼容串行接口，不僅能控制設(shè)備功能，還能提供用于系統(tǒng)監(jiān)控的遙測信息。

產(chǎn)品特性

1. Silent Switcher架構(gòu)

這種架構(gòu)使得調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊、高效且低EMI的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，這意味著我們可以設(shè)計(jì)出更小尺寸的電路板，同時(shí)減少電磁干擾對(duì)其他設(shè)備的影響，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2. PMBus/I2C串行接口

通過這個(gè)接口，我們可以方便地對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)控。遙測回讀功能可以實(shí)時(shí)獲取輸出電壓（ (V{OUT}) ）、輸出電流（ (I{OUT}) ）、輸入電壓（ (V_{IN}) ）、芯片溫度和故障信息等，為系統(tǒng)的故障排查和性能優(yōu)化提供了有力支持。

3. 可編程特性

調(diào)節(jié)器具有豐富的可編程參數(shù)，包括電壓、電流限制、排序、軟啟動(dòng)和停止、欠壓和過壓保護(hù)、相位、頻率（最高可達(dá)3MHz）以及環(huán)路補(bǔ)償?shù)取＿@些可編程特性使得我們可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行靈活配置，提高了產(chǎn)品的通用性和適應(yīng)性。

4. 集成三次可編程N(yùn)VM

內(nèi)部集成的三次可編程非易失性存儲(chǔ)器（NVM）可以存儲(chǔ)用戶配置設(shè)置，方便我們?cè)诓煌膽?yīng)用場景下快速恢復(fù)配置。同時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)還可以通過電阻進(jìn)行選擇，進(jìn)一步增加了配置的靈活性。

5. 多相負(fù)載共享

支持多達(dá)四個(gè)設(shè)備的多相負(fù)載共享，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的功率分配，提高系統(tǒng)的整體性能。

電氣特性

1. 輸入電源

輸入電壓范圍靈活，在 (EXTV{CC}=0V) 時(shí)， (V{IN}) 范圍為2.7V至4V；當(dāng) (3.0V ≤ EXTV{CC} ≤ 12.0V) 時(shí)， (V{IN}) 范圍可低至1.5V至4V。這種寬輸入電壓范圍使得調(diào)節(jié)器能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

2. 輸出電壓

輸出電壓設(shè)置點(diǎn)范圍為0.3V至3.4V，在不同的輸出電壓范圍內(nèi)，輸出電壓精度有所不同，例如在 (0.6V ≤ V_{OUT} ≤ 1.375V) 時(shí)，精度可達(dá)±0.25%。

3. 開關(guān)調(diào)節(jié)器

采用受控導(dǎo)通時(shí)間谷值電流模式控制，典型最小導(dǎo)通時(shí)間為25ns，能夠在低輸出電壓下實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率，同時(shí)具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)。

4. 其他特性

還具有輸出電壓故障和警告監(jiān)控、輸入電壓故障和警告監(jiān)控、振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）等功能，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了多重保障。

工作原理

1. 開關(guān)調(diào)節(jié)器控制環(huán)路

采用受控導(dǎo)通時(shí)間谷值電流模式架構(gòu)。在正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部頂部功率MOSFET根據(jù)導(dǎo)通時(shí)間控制電路確定的時(shí)間間隔導(dǎo)通。當(dāng)頂部功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，底部功率MOSFET導(dǎo)通，直到谷值電流比較器觸發(fā)，重新啟動(dòng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路并開始下一個(gè)周期。通過誤差放大器調(diào)整平均電感電流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。

2. 輕載電流操作

具有脈沖跳躍模式和強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式兩種PWM操作模式。脈沖跳躍模式在輕載時(shí)可以降低靜態(tài)電流，提高效率；而強(qiáng)制連續(xù)模式則在輕載或瞬態(tài)條件下允許電感電流反向，具有較低的輸出紋波、更穩(wěn)定的開關(guān)頻率和更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

3. NVM

內(nèi)部可編程N(yùn)VM可存儲(chǔ)用戶配置設(shè)置，最多可進(jìn)行三次編程。在NVM寫入操作時(shí)，需要確保芯片溫度（ (T{J}) ）在?40°C至+125°C之間，并且 (EXTV{CC}) 偏置在9.6V至13.2V之間。同時(shí)，會(huì)通過循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）計(jì)算檢查NVM的完整性，確保配置信息的準(zhǔn)確性。

4. 上電和初始化

在施加電源到 (V{IN}) 或 (EXTV{CC}) ，或者發(fā)送MFR_RESET或RESTORE_USER_ALL命令時(shí)，調(diào)節(jié)器會(huì)進(jìn)行初始化。初始化時(shí)會(huì)讀取NVM配置和/或電阻配置引腳，設(shè)置PMBus命令的初始狀態(tài)。

5. 軟啟動(dòng)和關(guān)機(jī)

軟啟動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器會(huì)等待命令的導(dǎo)通延遲時(shí)間，然后將目標(biāo)輸出電壓斜坡上升到命令的電壓設(shè)定點(diǎn)。關(guān)機(jī)時(shí)，可以選擇立即關(guān)機(jī)或按順序關(guān)機(jī)。順序關(guān)機(jī)時(shí)，調(diào)節(jié)器會(huì)等待關(guān)斷延遲時(shí)間，然后將調(diào)節(jié)目標(biāo)電壓斜坡下降到零。

應(yīng)用信息

1. 使用電阻配置引腳

調(diào)節(jié)器具有三個(gè)電阻配置引腳（ASEL、VOUT_CFG和PWM_CFG），每個(gè)引腳使用一個(gè)±1%的電阻來選擇關(guān)鍵操作參數(shù)。這些電阻在電源上電和執(zhí)行RESTORE_USER_ALL或MFR_RESET命令時(shí)進(jìn)行測量。

2. 設(shè)置設(shè)備地址

通過將一個(gè)1%的電阻從ASEL連接到地（SGND或PGND），可以選擇16個(gè)串行總線接口地址之一。

3. 設(shè)置輸出電壓

通過將一個(gè)1%的電阻從VOUT_CFG連接到PGND或SGND，可以選擇輸出電壓設(shè)定點(diǎn)。如果VOUT_CFG引腳懸空或連接到VDD18，則從NVM加載VOUT_COMMAND命令來設(shè)置輸出電壓。

4. 設(shè)置開關(guān)頻率、補(bǔ)償組件、PWM模式、相位和多相操作

通過在PWM_CFG引腳和PGND或SGND之間連接一個(gè)電阻，可以初始化PWM配置，包括頻率、相位、環(huán)路補(bǔ)償、操作模式和多相操作。

5. 同步

調(diào)節(jié)器可以自動(dòng)將PWM開關(guān)同步到SYNC引腳的外部時(shí)鐘輸入。如果外部時(shí)鐘信號(hào)丟失，調(diào)節(jié)器將繼續(xù)使用其內(nèi)部振蕩器進(jìn)行PWM操作。

6. 單相位和雙相位操作

LT7176是單相位調(diào)節(jié)器，通過將SW0和SW1引腳連接到一個(gè)電感來驅(qū)動(dòng)單個(gè)穩(wěn)壓輸出電源；LT7176 - 1是雙相位調(diào)節(jié)器，將電感分別連接到SW0和SW1引腳，開關(guān)相位相差180°。

7. 多相負(fù)載共享

多個(gè)LT7176/LT7176 - 1部件可以并聯(lián)連接，以提供平衡的多相負(fù)載共享解決方案。通過連接相應(yīng)的引腳（如 (I{TH}) 、FAULT、 (V{IN}) 、 (SENSEP) 、 (SENSEN) 、SYNC、SHARE_CLK和RUN），并確保相位間隔為 (360/n) （n為多相陣列中的相數(shù)），可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均衡分配。

8. 操作頻率權(quán)衡

選擇操作頻率時(shí)需要在效率、組件尺寸和輸入電壓范圍之間進(jìn)行權(quán)衡。高頻操作可以使用更小的電感和電容值，但會(huì)降低效率。

9. 最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間考慮

最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間會(huì)對(duì)開關(guān)頻率和輸出電壓的調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載電流和輸入輸出電壓等參數(shù)合理選擇開關(guān)頻率，以確保調(diào)節(jié)器能夠穩(wěn)定工作。

10. 可編程電流限制

調(diào)節(jié)器提供四種谷值電流限制設(shè)置，通過MFR_PWM_MODE_LT7176的Bits[10:9]進(jìn)行控制。在選擇電流限制時(shí)，需要考慮調(diào)制器電流感測增益的變化對(duì)控制環(huán)路補(bǔ)償?shù)挠绊憽?/p>

11. 電感選擇

根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和操作頻率等參數(shù)選擇合適的電感值，以確保電感電流紋波在合理范圍內(nèi)，同時(shí)滿足飽和電流和RMS電流額定值的要求。

12. 輸入和輸出電容器

在開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入和輸出電源端使用低ESR陶瓷電容器，以提高濾波效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

13. 可編程PWM控制環(huán)路補(bǔ)償

支持內(nèi)部或外部PWM控制環(huán)路補(bǔ)償。在單相位應(yīng)用中，可以選擇內(nèi)部補(bǔ)償；在多相操作中，需要使用外部補(bǔ)償。通過MFR_PWM_MODE_LT7176命令可以對(duì)控制環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行編程。

14. 軟件可配置排序

可以通過時(shí)間基互連實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的同步，支持軟件可配置的上電和掉電排序。

15. 事件基排序

通過將一個(gè)調(diào)節(jié)器的PGOOD引腳連接到下一個(gè)調(diào)節(jié)器的RUN引腳，可以實(shí)現(xiàn)硬件可配置的上電和掉電排序。

布局和熱考慮

1. 布局考慮

在PCB布局時(shí)，需要確保輸入電容器形成的環(huán)路盡可能小，將輸入電容器、電感和輸出電容器放置在電路板的表層，并在最接近表層的層下設(shè)置一個(gè)局部、不間斷的接地平面。同時(shí)，要最小化SW和BOOST開關(guān)節(jié)點(diǎn)的布線面積，以減少電磁干擾和雜散電容。

2. 熱考慮

為了確保調(diào)節(jié)器的散熱良好，需要將封裝底部的接地引腳焊接到接地平面，并通過熱過孔將熱量傳導(dǎo)到下面的大銅層。在環(huán)境溫度接近最大結(jié)溫額定值時(shí)，需要對(duì)最大負(fù)載電流進(jìn)行降額處理。

總結(jié)

LT7176/LT7176 - 1是兩款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的同步降壓調(diào)節(jié)器，具有豐富的可編程特性、出色的瞬態(tài)響應(yīng)和低EMI等優(yōu)點(diǎn)。在通信、存儲(chǔ)、工業(yè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和固態(tài)硬盤等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)和配置，同時(shí)注意PCB布局和散熱設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用類似的電源管理芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。