探索LTC7890：高性能雙降壓DC - DC開關調節器控制器的深度解析

在電子設計領域，電源管理芯片的性能往往直接影響著整個系統的穩定性和效率。今天，我們就來深入探討一款備受矚目的電源管理芯片——LTC7890，一款專門為氮化鎵（GaN）場效應晶體管（FET）優化的高性能雙降壓DC - DC開關調節器控制器。

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1. LTC7890的卓越特性

1.1 專為GaN FET優化

LTC7890采用了完全針對GaN FET優化的驅動技術，這使得它在驅動GaN FET時能夠充分發揮其性能優勢。同時，它無需額外的續流、鉗位或自舉二極管，簡化了電路設計，降低了成本和電路板空間。內部的智能自舉開關能夠防止高端驅動器電源過充電，保護頂部GaN FET的柵極。

1.2 寬輸入輸出電壓范圍

其輸入電壓范圍為4V至100V，輸出電壓范圍為0.8V至60V，能夠滿足多種不同應用場景的需求。無論是工業電源系統、軍事航空電子設備還是電信電源系統，LTC7890都能穩定工作。

1.3 低靜態電流

在48V輸入至5V輸出，通道1開啟的情況下，靜態電流低至5μA，這對于需要長時間待機的設備來說至關重要，能夠有效降低功耗，延長電池續航時間。

1.4 靈活的頻率控制

可編程頻率范圍為100kHz至3MHz，并且可以同步到外部時鐘，還支持擴頻頻率調制，有助于降低電磁干擾（EMI），提高系統的電磁兼容性。

2. 電氣特性詳解

2.1 輸入輸出參數

輸入電源的工作范圍為4V至100V，在不同的輸入輸出條件下，靜態電流表現良好。例如，在48V至5V無負載，RUN2 = 0V的情況下，總靜態電流為5μA；在14V至3.3V無負載，RUN2 = 0V的情況下，總靜態電流為14μA。輸出電壓設定點范圍為0.8V至60V，并且能夠精確調節。

2.2 門驅動器特性

門驅動器的導通電阻、上升時間、下降時間等參數都有明確的規定。例如，TGxxx或BGxxx的導通電阻在DRVSET = INTVCC時，上拉為2.0Ω，下拉為1.0Ω；BOOSTx至DRVCC開關的導通電阻為7Ω。這些參數的優化有助于提高開關速度和效率。

2.3 其他特性

還包括欠壓鎖定（UVLO）、固定頻率、可編程頻率、同步頻率范圍等特性，這些特性使得LTC7890在不同的應用場景中都能靈活配置，滿足各種需求。

3. 引腳配置與功能

3.1 引腳功能概述

LTC7890共有40個引腳，每個引腳都有其特定的功能。例如，FREQ引腳用于控制內部電壓控制振蕩器（VCO）的頻率；MODE引腳用于選擇輕載時的工作模式；PLLIN/SPREAD引腳用于外部同步輸入或擴頻使能等。

3.2 關鍵引腳詳解

• DTCA和DTCB引腳：用于控制死區時間，可通過配置這兩個引腳將死區時間從接近零調整到60ns，從而優化開關性能。
• RUNx引腳：用于控制通道的開啟和關閉，當RUNx引腳電壓低于1.08V時，該通道的控制器停止開關；當RUN1和RUN2引腳電壓都低于0.7V時，LTC7890進入關機狀態，靜態電流降至約1μA。
• TRACK/SSx引腳：用于外部跟蹤/軟啟動輸入，通過連接電容到地，可以實現輸出電壓的軟啟動，避免啟動時的電流沖擊。

4. 工作原理剖析

4.1 主控制環路

LTC7890采用恒定頻率、峰值電流模式架構，兩個控制器通道相位相差180°，這有助于減少所需的輸入電容和電源引起的噪聲。在正常工作時，外部頂部FET在時鐘置位SR鎖存器時開啟，電感電流增加；當主電流比較器ICMP復位SR鎖存器時，主開關關閉。底部FET在頂部FET關閉后開啟，電感電流減小。

4.2 電源和偏置電源

INTVCC引腳為頂部和底部FET驅動器以及大部分內部電路提供電源，DRVCC引腳為FET驅動器供電，必須連接到INTVCC引腳。VIN和EXTVCC引腳都有LDO線性穩壓器為INTVCC提供電源，通過DRVSET引腳可以將INTVCC電壓編程為4V至5.5V。

4.3 死區時間控制

通過配置DTCA和DTCB引腳，可以精確控制死區時間。將DTCA引腳接地可實現自適應死區時間控制，將其連接到INTVCC可實現智能接近零死區時間控制；DTCB引腳的配置同理。

4.4 輕載操作模式

LTC7890可以在輕載時選擇進入高效突發模式（Burst Mode）、恒定頻率脈沖跳過模式（Pulse Skipping Mode）或強制連續導通模式（Forced Continuous Mode）。不同的模式具有不同的特點，例如突發模式在輕載時效率最高，但不能同步到外部時鐘；強制連續模式輸出電壓紋波低，但輕載效率較低；脈沖跳過模式則在輕載效率和輸出紋波之間取得了較好的平衡。

4.5 頻率選擇與同步

通過FREQ引腳可以選擇自由運行的開關頻率，將FREQ引腳接地選擇370kHz，連接到INTVCC選擇2.25MHz，也可以通過在FREQ和地之間連接電阻將頻率編程為100kHz至3MHz。此外，通過PLLIN/SPREAD引腳可以實現擴頻模式和相位鎖定環（PLL）功能。

5. 應用信息與設計要點

5.1 外部組件選擇

• 電感選擇：電感值的選擇與工作頻率密切相關，較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會降低效率。一般來說，合理的紋波電流起始值為ΔIL = 0.3 × IL(MAX)，同時要考慮電感值對紋波電流和低電流操作的影響。
• 電流感測選擇：LTC7890可以配置為使用電感直流電阻（DCR）感測或低值電阻感測。DCR感測節省成本且更節能，尤其在高電流應用中；而電流感測電阻則能提供更精確的電流限制。
• 功率FET選擇：需要選擇兩個外部功率FET，一個用于頂部開關，一個用于底部開關。選擇時要考慮導通電阻、米勒電容、輸入電壓和最大輸出電流等因素。
• 輸入輸出電容選擇：輸入電容的選擇基于輸入網絡的最壞情況均方根電流，輸出電容的選擇主要考慮等效串聯電阻（ESR），以確保輸出紋波在可接受的范圍內。

5.2 輸出電壓設置

通過外部反饋電阻分壓器可以精確設置輸出電壓，公式為VOUT = 0.8(1 + (RB / RA))V。同時，要注意將反饋電阻靠近VFBx引腳放置，以減少PCB走線長度和噪聲。

5.3 軟啟動與跟蹤

通過TRACK/SSx引腳可以實現軟啟動功能，通過連接電容到地，內部12μA電流源對電容充電，使輸出電壓平滑上升。也可以通過電阻分壓器將TRACK/SSx引腳連接到另一個電源，實現輸出電壓跟蹤另一個電源的啟動過程。

5.4 故障保護

LTC7890具有過壓保護、過流保護和過溫保護等功能。當輸出電壓超過設定值的10%時，頂部FET關閉；當輸出電壓低于額定值的70%時，進入折返電流限制模式；當內部芯片溫度超過180°C時，INTVCC LDO穩壓器和門驅動器關閉，當溫度降至160°C時，重新啟動。

6. PCB布局要點

6.1 布局原則

• 頂部N溝道FET應彼此靠近，且漏極連接到CIN，避免輸入去耦分離。
• BGUPx和BGDNx、TGUPx和TGDNx的走線應靠近FET柵極，以確保死區時間控制的準確性。
• 組合的IC GND引腳和CINTVCC的GND返回應連接到COUT的負端，輸入電容和輸出電容應靠近放置。
• VFBx引腳的電阻分壓器應連接到COUT的正端和信號GND，且靠近VFBx引腳放置，以減少噪聲耦合。
• SENSEX和SENSEX +的走線應靠近，且遠離高頻開關節點，濾波電容應靠近IC。
• INTVCC去耦電容應靠近IC放置，DRVCC和GND引腳旁應放置1μF陶瓷電容以改善噪聲性能。
• 開關節點、頂部柵極節點和升壓節點應遠離敏感小信號節點，以減少干擾。

6.2 布局調試

在調試PCB布局時，應先逐個檢查控制器的性能，使用電流探頭監測電感電流，監測輸出開關節點以同步示波器，并檢查輸出電壓。注意檢查占空比的穩定性，避免出現噪聲拾取或環路補償不足的問題。

7. 設計實例

假設輸入電壓VIN(NOMINAL) = 12V，VIN(MAX) = 22V，輸出電壓VOUTx = 3.3V，輸出電流IOUT = 20A，工作頻率f = 1MHz。設計步驟如下：

1. 設置工作頻率：通過在FREQ引腳和地之間連接電阻，電阻值為37MHz / 1MHz = 37kΩ。
2. 確定電感值：根據公式L = VOUT / (f(ΔIL))(1 - VOUT / VIN(NOMINAL))，選擇電感值為0.4μH。
3. 驗證最小導通時間：計算最小導通時間tON(MIN) = VOUT / (VIN(MAX) × f) = 150ns，滿足最小導通時間要求。
4. 選擇RSENSE電阻值：根據峰值電感電流和最大電流感測閾值，選擇RSENSE ≤ 45mV / 23A ? 2mΩ。
5. 選擇反饋電阻：對于50μA的反饋分壓器電流，RA = 0.8V / 50μA = 16kΩ，RB = RA(3.3V / 0.8V - 1) = 50kΩ。
6. 選擇FET：由于是高電流、低電壓應用，選擇導通電阻較低的FET以降低I2R損耗。
7. 選擇輸入輸出電容：CIN選擇均方根電流額定值至少為10A的電容，COUT選擇ESR為3mΩ的電容。
8. 確定偏置電源組件：由于輸出電壓不大于EXTVCC切換閾值，若有5V電源，可將其連接到EXTVCC以提高效率。選擇0.1μF的電容用于TRACK/SSx引腳實現6.7ms的軟啟動。
9. 設置應用特定參數：根據輕載效率和恒定頻率操作的權衡設置MODE引腳，根據需要設置PLLIN/SPREAD引腳，使用ITHx補償組件并檢查瞬態響應以確保穩定性。

8. 總結

LTC7890是一款功能強大、性能卓越的電源管理芯片，它為電子工程師提供了豐富的功能和靈活的配置選項。在設計過程中，我們需要全面考慮其電氣特性、引腳功能、工作原理以及應用信息等方面，合理選擇外部組件，優化PCB布局，以確保系統的穩定性和效率。同時，通過實際的設計實例，我們可以更好地理解和應用LTC7890，為各種應用場景提供可靠的電源解決方案。

你在使用LTC7890的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。