LT8350S：高性能同步降壓 - 升壓轉換器的設計與應用

一、引言

在電子設計領域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統的穩定性和效率。LT8350S作為一款具有卓越性能的同步降壓 - 升壓轉換器，憑借其獨特的架構和豐富的功能，在汽車、工業、電信等多個領域得到了廣泛應用。本文將深入剖析LT8350S的特點、工作原理、應用設計等方面，為電子工程師提供全面的設計參考。

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二、產品概述

2.1 主要特性

• 4開關單電感架構：允許輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓，實現了靈活的電壓轉換。
• Silent Switcher? 2架構：有效降低電磁干擾（EMI），適用于對EMI要求嚴格的應用場景。
• 高效率：在2MHz的開關頻率下，效率可達95%，有助于降低功耗。
• 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為3V - 40V，輸出電壓范圍為1V - 18V，滿足多種應用需求。
• 精準的電壓和電流調節：輸出電壓調節精度為±1.5%，并具備輸出/輸入電流調節和監測功能。
• 其他特性：包括高側PMOS負載開關驅動、固定開關頻率（200kHz - 2MHz）、外部頻率同步和擴頻頻率調制（SSFM）等。

2.2 應用領域

• 汽車、工業、電信系統：為這些系統提供穩定的電源供應。
• 高精度電流限制的電壓調節器：確保系統在不同負載下的穩定運行。
• 高頻電池供電系統：適用于對電源效率和體積要求較高的電池供電設備。
• USB Power Delivery（USB - PD）源：滿足USB - PD協議的電源需求。

三、電氣特性

3.1 輸入輸出特性

• 輸入電壓范圍：在 - 40°C至125°C的溫度范圍內，輸入電壓范圍為3V - 40V。
• 輸入關機電流：當EN/UVLO引腳電壓為0.3V時，輸入關機電流典型值為2μA，最大值為5μA。
• 輸入活動電流：在不同條件下，輸入活動電流有所不同，如EN/UVLO = 1.5V，EXTVCC = 0V時，典型值為3.5mA，最大值為5mA。
• 輸出電壓范圍：同樣在 - 40°C至125°C的溫度范圍內，輸出電壓范圍為1V - 18V。

3.2 線性調節器特性

• INTVCC調節電壓：當IINTVCC = 20mA時，調節電壓典型值為3.6V，范圍在3.4V - 3.8V之間。
• VREF調節電壓：在 - 40°C至125°C的溫度范圍內，當IVREF = 100μA時，調節電壓典型值為2.00V，范圍在1.99V - 2.03V之間。

3.3 電流和電壓調節特性

• 全量程電流調節：在不同條件下，全量程電流調節電壓典型值為100mV，范圍在97mV - 103mV之間。
• FB調節電壓：在 - 40°C至125°C的溫度范圍內，當VC = 0.8V時，FB調節電壓典型值為1.00V，范圍在0.985V - 1.015V之間。

3.4 其他特性

• 開關電流限制：峰值升壓電流模式下，最大開關電流限制典型值為7.0A，范圍在6.3A - 7.7A之間；峰值降壓電流模式下，典型值為7.0A，范圍在5.8A - 8.0A之間。
• 開關導通電阻：不同開關的導通電阻在不同電流下有相應的典型值，如開關A和B在ISW = 1A時，導通電阻典型值為50mΩ。

四、絕對最大額定值和ESD特性

4.1 絕對最大額定值

• 各引腳的電壓范圍有明確限制，如VIN、EN/UVLO、ISP、ISN引腳的電壓范圍為 - 0.3V至42V，VOUT、EXTVCC引腳的電壓范圍為 - 0.3V至20V等。
• 工作結溫范圍為 - 40°C至125°C，存儲溫度范圍為 - 65°C至150°C。

4.2 ESD特性

• 人體模型（HBM）的ESD耐受閾值為±4000V，充電設備模型（CDM）的ESD耐受閾值為±1250V。在使用過程中，需采取適當的ESD防護措施，以避免芯片受損。

五、典型工作特性

5.1 效率與負載電流關系

通過不同區域（降壓、降壓 - 升壓、升壓）的效率與負載電流曲線，可以看出在不同負載情況下的效率變化。在輕負載時，可通過配置使芯片工作在強制連續傳導模式或不連續傳導模式，以提高效率。

5.2 其他特性曲線

還給出了如VIN關機電流、VIN活動電流、VREF電壓與溫度的關系，以及其他參數隨溫度或其他變量的變化曲線，這些曲線有助于工程師在不同工作條件下準確評估芯片性能。

六、引腳配置和功能描述

6.1 引腳配置

LT8350S采用32引腳LQFN封裝，各引腳具有不同的功能，如VIN為輸入電壓引腳，EN/UVLO為使能和欠壓鎖定引腳，INTVCC為內部3.6V線性調節器輸出引腳等。

6.2 引腳功能

每個引腳都有其特定的功能和使用注意事項，例如EN/UVLO引腳可用于控制芯片的開關機，LOADEN引腳可控制高側PMOS負載開關的通斷等。工程師在設計時需根據具體需求合理連接和使用這些引腳。

七、工作原理

7.1 整體架構

LT8350S是一款電流模式DC/DC轉換器，通過四個內部低電阻N溝道雙擴散金屬 - 氧化物 - 半導體（DMOS）開關實現電壓轉換。內部高側柵極驅動器簡化了設計過程，采用ADI專有的峰值電流模式控制方案，可實現降壓、降壓 - 升壓和升壓區域之間的平滑過渡。

7.2 功率開關控制

根據輸入電壓與輸出電壓的比值，芯片有四種工作狀態：

• 峰值降壓 - 降壓區域：當VIN遠高于VOUT時，開關C始終關閉，開關D始終打開，開關A和B交替工作，類似于典型的同步降壓調節器。
• 峰值降壓 - 降壓 - 升壓區域：當VIN略高于VOUT時，開關C在每個周期的前20%打開，開關D在剩余80%打開，開關A和B根據電感電流情況交替工作。
• 峰值升壓 - 降壓 - 升壓區域：當VIN略低于VOUT時，開關A在每個周期的前80%打開，開關B在剩余20%打開，開關C和D根據電感電流情況交替工作。
• 峰值升壓 - 升壓區域：當VIN遠低于VOUT時，開關A始終打開，開關B始終關閉，開關C和D交替工作，類似于典型的同步升壓調節器。

7.3 主控制環路

芯片通過直接感測內部開關A上的電感電流，并將其與內部振蕩器的斜坡補償信號相加，然后輸入到降壓電流比較器A1和升壓電流比較器A2的正端。A1和A2的負端由VC引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA1和EA2的二極管或輸出。根據峰值降壓或峰值升壓電流模式控制狀態，由降壓邏輯或升壓邏輯控制四個功率開關，以實現FB電壓調節到1V或ISP和ISN引腳之間的電流感測電壓由CTRL引腳調節。

7.4 輕負載電流操作

在輕負載時，芯片可配置為強制連續傳導模式或不連續傳導模式。在不連續傳導模式下，通過設置正的降壓和升壓反向電流感測閾值，防止輸出到輸入的反向電流。當負載進一步降低或使用較小電感時，芯片可能進入脈沖跳過模式。

7.5 內部充電路徑

兩個高側柵極驅動器分別由其浮動自舉電容CBST1和CBST2偏置，當底部功率開關打開時，通過集成自舉二極管D1和D2由INTVCC對其進行充電。在芯片僅在降壓或升壓區域工作時，內部充電路徑可確保自舉電容充電到3.3V以上，以保持頂部功率開關導通。

7.6 關機和上電復位

當EN/UVLO引腳電壓低于關機閾值（最小值0.3V）時，芯片進入關機模式，靜態電流小于2μA（典型值）。當EN/UVLO引腳電壓高于關機閾值（最大值0.9V）時，芯片喚醒啟動電路，生成帶隙參考，并為內部INTV LDO供電。當INTV引腳電壓高于上升的UVLO閾值（典型值2.52V），EN/UVLO引腳通過上升使能閾值（典型值1.235V），且結溫低于熱關斷溫度（典型值165°C）時，芯片進入使能模式，經過上電復位（POR）后，等待CTRL和LOADEN引腳信號開始開關操作。

7.7 啟動和故障保護

芯片的啟動和故障保護過程較為復雜，通過SS引腳和其他信號的配合，實現軟啟動和故障檢測、處理。在不同狀態下，芯片會根據SS引腳電壓和其他條件進行相應的操作，如在輸出短路情況下，可通過連接不同電阻設置打嗝、鎖存關閉或持續運行的故障保護模式。

八、應用設計指南

8.1 開關頻率選擇

開關頻率的選擇是效率和元件尺寸之間的權衡。低頻操作可降低MOSFET開關損耗，提高效率，但需要更大的電感和電容值；高頻操作可減小總解決方案尺寸，適用于低功率應用。在噪聲敏感系統中，需選擇合適的開關頻率以避免干擾敏感頻段。

8.2 開關頻率設置

通過將SYNC/MODE引腳拉低至地，并連接一個從RT引腳到地的電阻來設置開關頻率。文檔提供了常見開關頻率對應的RT電阻值表。

8.3 擴頻頻率調制

LT8350S采用三角形擴頻頻率調制方案，通過將SYNC/MODE引腳連接到INTVcc，可將開關頻率在內部振蕩器頻率基礎上擴展23%（典型值），從而改善EMI性能。

8.4 頻率同步和操作模式選擇

芯片的開關頻率可通過SYNC/MODE引腳與外部時鐘同步，推薦使用10% - 90%占空比的波形驅動該引腳。SYNC/MODE引腳還有四種可選模式，可根據不同需求優化性能。

8.5 最大輸出電流

芯片為恒壓、恒流和降壓 - 升壓轉換器，輸出電壓可調節至電流限制閾值，該閾值由CTRL引腳電壓和ISP/ISN引腳之間的電流感測電阻設置。實際應用中，最大輸出電流受應用的熱約束和最大開關電流限制。

8.6 電感選擇

電感值與開關頻率相關，較高的開關頻率允許使用較小的電感和電容值。電感值直接影響紋波電流，可根據不同區域的公式計算最小電感值。為保證穩定性，還需考慮斜率補償所需的最小電感值。同時，應選擇低磁芯損耗、低直流電阻、能承受峰值電感電流且不飽和度的電感，并使用屏蔽電感以減少輻射噪聲。

8.7 (C{IN})和(C{out})選擇

輸入和輸出電容用于抑制調節器中不連續電流引起的電壓紋波，通常采用電容器的并聯組合以實現高電容和低等效串聯電阻（ESR）。陶瓷電容器應放置在調節器輸入和輸出附近，以抑制高頻開關尖峰。輸入電容需確保具有足夠低的ESR和能處理最大RMS電流的容量；輸出電容需考慮ESR和大容量電容對輸出電壓紋波的影響。

8.8 編程(V_{IN}) UVLO

通過從(V{IN})到EN/UVLO引腳的電阻分壓器實現(V{IN})欠壓鎖定（UVLO），可根據公式計算可編程的UVLO閾值。

8.9 編程輸入或輸出電流限制

通過在輸入或輸出功率路徑中放置合適的電流感測電阻RIS，并將CTRL引腳連接到高于1.35V的電壓，可實現輸入或輸出電流限制。CTRL引腳電壓不同時，電流感測閾值的計算方式不同。

8.10 ISMON電流監測

ISMON引腳提供流經ISP/ISN電流感測電阻RIS的電流的緩沖監測輸出，其電壓可根據公式計算。在并聯應用中，主LT8350S的ISMON引腳可直接連接到從LT8350S的引腳以實現均流。

8.11 LOAD開關控制

LOADEN和LOADTG引腳提供高側p溝道金屬 - 氧化物 - 半導體（PMOS）負載開關控制。LOADEN引腳接受邏輯電平的開關信號，驅動LOADTG引腳控制高側PMOS負載開關的通斷，從而連接或斷開LT8350S的電源輸出與系統輸出。

8.12 編程輸出電壓和閾值

通過FB引腳可編程恒定電壓輸出，根據公式選擇R3和R4的值可設置輸出電壓。FB引腳還可設置輸出過壓閾值、輸出功率良好閾值和輸出短路閾值。

8.13 功率良好（PGOOD）引腳

PGOOD引腳為開漏狀態引腳，當(V_{FB})在1V調節電壓的±10%范圍內時，該引腳被拉低。可通過外部電阻將其上拉至INTVcc或最高5V的外部電壓源。

8.14 軟啟動和故障保護

通過將SS引腳連接到地的外部電容可實現軟啟動，內部12.5μA的上拉電流對電容充電，使輸出電壓平滑上升。SS引腳還可作為故障定時器，通過連接不同電阻可設置三種不同的故障保護模式。

8.15 環路補償

LT8350S使用內部跨導誤差放大器，其輸出Vc用于補償控制環路。外部電感、輸出電容以及補償電阻和電容決定了環路穩定性。對于典型應用，Vc引腳的2.2nF補償電容通常足夠，且應使用串聯電阻以提高Vc引腳的壓擺率，從而在轉換器輸入電源快速瞬變時保持更嚴格的輸出電壓調節。

8.16 效率考慮

開關調節器的功率效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。LT8350S電路中的主要損耗源包括DC (I^{2} R)損耗、過渡損耗、INTV電流以及(C{IN})和(C{OUT})損耗。分析這些損耗有助于確定效率限制因素，并采取相應措施提高效率。

九、典型應用電路

文檔給出了兩個典型應用電路，分別是96%高效的30W（12V，2.5A）、350kHz降壓 - 升壓電壓調節器和USB - PD源 - 27W 5V，9V/3A固定PDO模式電路，為工程師提供了實際設計參考。

十、訂購信息

提供了LT8350S的訂購信息，包括不同型號的封裝類型、引腳或球的表面處理、零件標記、MSL評級和溫度范圍等，方便工程師進行產品選型和采購。

十一、總結

LT8350S作為一款高性能的同步降壓 - 升壓轉換器，具有眾多優秀特性和豐富功能。電子工程師在設計過程中，需根據具體應用需求，合理選擇開關頻率、電感、電容等外部元件，準確設置各種參數，以實現最佳的性能和效率。同時，要充分考慮芯片的工作原理和保護機制，確保系統的穩定性和可靠性。通過深入了解LT8350S的特點和應用設計方法，工程師能夠更好地利用這款芯片，開發出高質量的電子系統。