探索LTC7893：高性能同步升壓控制器的卓越應(yīng)用

在電子工程領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。而LTC7893作為一款高性能的同步升壓控制器，專為氮化鎵（GaN）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）設(shè)計(jì)，展現(xiàn)出了諸多令人矚目的特性。今天，我們就來(lái)深入探討這款控制器的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)。

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一、LTC7893的特性亮點(diǎn)

1. 優(yōu)化的GaN驅(qū)動(dòng)技術(shù)

LTC7893采用了專門(mén)為GaN FET優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能夠充分發(fā)揮GaN FET的性能優(yōu)勢(shì)。其輸出電壓最高可達(dá)100V，輸入電壓范圍為4V至60V，并且在啟動(dòng)后可低至1V工作，這使得它在多種電源應(yīng)用中具有廣泛的適用性。

2. 簡(jiǎn)化的電路設(shè)計(jì)

無(wú)需額外的續(xù)流、鉗位或自舉二極管，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用設(shè)計(jì)。內(nèi)部智能自舉開(kāi)關(guān)可防止高端驅(qū)動(dòng)器電源過(guò)充電，保護(hù)頂部GaN FET的柵極。同時(shí)，死區(qū)時(shí)間可通過(guò)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，分裂輸出柵極驅(qū)動(dòng)器可調(diào)整開(kāi)啟和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，精確可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電壓和欠壓鎖定（UVLO）功能進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

3. 低功耗與高靈活性

低工作靜態(tài)電流（IQ）僅為15μA，有效降低了功耗。可編程頻率范圍為100kHz至3MHz，還支持頻率同步和擴(kuò)頻頻率調(diào)制，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外，它采用28引腳（4mm × 5mm）側(cè)面可焊QFN封裝，并且通過(guò)了AEC - Q100汽車應(yīng)用認(rèn)證，適用于汽車、工業(yè)、軍事航空電子和醫(yī)療系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。

二、工作原理剖析

1. 主控制回路

LTC7893采用恒定頻率、峰值電流模式架構(gòu)。在正常工作時(shí)，外部底部FET在時(shí)鐘置位SR鎖存器時(shí)開(kāi)啟，電感電流增加；當(dāng)主電流比較器ICMP復(fù)位SR鎖存器時(shí)，主開(kāi)關(guān)關(guān)閉。底部FET關(guān)閉后，頂部FET開(kāi)啟，電感電流減小，直到電感電流開(kāi)始反向或下一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始。

2. 電源和偏置電源

INTVCC引腳為頂部和底部FET驅(qū)動(dòng)器以及大部分內(nèi)部電路供電，F(xiàn)ET驅(qū)動(dòng)器的電源來(lái)自DRVCC引腳，必須連接到INTVCC引腳。VBIAS和EXTVCC引腳提供低dropout線性穩(wěn)壓器（LDO），可通過(guò)DRVSET引腳將INTVCC電壓編程為4V至5.5V。當(dāng)EXTVCC引腳電壓低于其切換電壓時(shí)，VBIAS LDO為INTVCC供電；當(dāng)EXTVCC電壓高于切換電壓時(shí)，EXTVCC LDO開(kāi)啟，為INTVCC供電。

3. 死區(qū)時(shí)間控制

DTCA和DTCB引腳可將死區(qū)時(shí)間延遲編程為7ns至60ns。將DTCA引腳接地可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制，即驅(qū)動(dòng)器邏輯等待底部FET關(guān)閉后再開(kāi)啟頂部FET，死區(qū)時(shí)間約為15ns；在DTCA引腳和地之間連接電阻可編程開(kāi)環(huán)延遲。DTCB引腳的功能類似，用于控制頂部FET關(guān)閉到底部FET開(kāi)啟的死區(qū)時(shí)間。

4. 輕載操作模式

LTC7893可設(shè)置為進(jìn)入高效突發(fā)模式、恒定頻率脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式。通過(guò)MODE引腳進(jìn)行選擇，不同模式具有不同的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。突發(fā)模式在輕載時(shí)效率最高，但不能與外部時(shí)鐘同步；強(qiáng)制連續(xù)模式輸出紋波低，對(duì)音頻電路干擾小；脈沖跳躍模式則在輕載效率、輸出紋波和電磁干擾之間取得了平衡。

5. 頻率選擇與同步

通過(guò)FREQ引腳選擇自由運(yùn)行開(kāi)關(guān)頻率，可在100kHz至3MHz之間編程。將PLLIN/SPREAD引腳連接到INTVCC可啟用擴(kuò)頻模式，改善電磁干擾性能。同時(shí)，內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）可將內(nèi)部振蕩器與外部時(shí)鐘源同步，使底部FET的開(kāi)啟與外部時(shí)鐘信號(hào)的上升沿對(duì)齊。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電感選擇

電感值的計(jì)算與工作頻率和負(fù)載要求密切相關(guān)。較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)導(dǎo)致效率降低。電感紋波電流與電感值直接相關(guān)，合理設(shè)置紋波電流可在輸出電壓紋波和電感損耗之間取得平衡。此外，電感核心的選擇也很重要，高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用通常選擇低損耗的鐵氧體磁芯。

2. 電流檢測(cè)

LTC7893可配置為使用電感直流電阻（DCR）檢測(cè)或低值電阻檢測(cè)。DCR檢測(cè)節(jié)省成本且功率效率高，適用于高電流應(yīng)用；電阻檢測(cè)則提供更準(zhǔn)確的電流限制。在進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí)，需要注意感測(cè)線的布局和濾波，以確保準(zhǔn)確的電流測(cè)量。

3. 輸出電壓設(shè)置

通過(guò)外部反饋電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，公式為 (V{OUT }=1.2V(1+frac{R{B}}{R_{A}}))。將VPRG引腳連接到INTVCC或GND可將輸出電壓編程為固定的28V或24V，浮空VPRG引腳則可使用外部電阻設(shè)置可調(diào)輸出模式。

4. PCB布局

PCB布局對(duì)LTC7893的性能至關(guān)重要。應(yīng)將頂部和底部N溝道FET以及高頻輸出電容放置在彼此1cm范圍內(nèi)，確保感測(cè)線和驅(qū)動(dòng)線的合理布線，避免敏感小信號(hào)節(jié)點(diǎn)受到干擾。同時(shí)，采用改良的星形接地技術(shù)，確保低阻抗的接地路徑。

四、設(shè)計(jì)示例

假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)輸入電壓為12V至20V，輸出電壓為24V，輸出電流為4A，工作頻率為1MHz的應(yīng)用電路。

1. 設(shè)置工作頻率：根據(jù)公式 (R_{FREQ}( in k Omega)=frac{37 MHz}{1 MHz}=37 k Omega)，在FREQ引腳和地之間連接一個(gè)37kΩ的電阻。
2. 確定電感值：選擇電感紋波電流為30%，根據(jù)公式 (L=frac{V{IN}}{f cdot Delta I{L}}(1-frac{V{IN}}{V{OUT}})) 計(jì)算電感值為2.4μH。
3. 驗(yàn)證最小導(dǎo)通時(shí)間：在最大輸入電壓下，驗(yàn)證最小導(dǎo)通時(shí)間是否滿足要求，以避免脈沖跳過(guò)和電感電流紋波增大。
4. 選擇RSENSE電阻值：根據(jù)最大電感電流和最大電流檢測(cè)閾值計(jì)算RSENSE電阻值，確保有足夠的余量。
5. 選擇反饋電阻：選擇合適的反饋電阻，確保輸出電壓準(zhǔn)確。
6. 選擇FET：根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的FET，考慮RDS(ON)和米勒電容等參數(shù)。
7. 選擇輸出電容：選擇低ESR的電容，以滿足輸出電壓紋波要求。
8. 確定偏置電源組件：根據(jù)需要選擇合適的偏置電源組件，如EXTVCC電源和SS引腳電容。
9. 設(shè)置應(yīng)用特定參數(shù)：根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置MODE引腳、PLLIN/SPREAD引腳、RUN引腳等參數(shù)，并使用ITH補(bǔ)償組件優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

五、總結(jié)

LTC7893作為一款高性能的同步升壓控制器，憑借其優(yōu)化的GaN驅(qū)動(dòng)技術(shù)、簡(jiǎn)化的電路設(shè)計(jì)、低功耗和高靈活性等特點(diǎn)，在電源管理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要綜合考慮電感選擇、電流檢測(cè)、輸出電壓設(shè)置和PCB布局等因素，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，LTC7893能夠?yàn)楦鞣N電子設(shè)備提供高效、可靠的電源解決方案。

你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似的電源管理問(wèn)題？對(duì)于LTC7893的應(yīng)用設(shè)計(jì)，你有什么獨(dú)特的見(jiàn)解或經(jīng)驗(yàn)分享嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。