LT8336：高效同步升壓DC/DC轉換器的技術剖析與應用指南

在電子設計領域，電源管理是至關重要的一環。對于需要高效升壓轉換的應用場景，Analog Devices的LT8336同步升壓DC/DC轉換器是一個值得關注的選擇。本文將深入剖析LT8336的特性、工作原理、應用要點，為電子工程師們提供全面的設計參考。

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一、LT8336概述

LT8336是一款低靜態電流（(I{Q})）的同步升壓DC/DC轉換器，具備Silent Switcher架構和可選的擴頻頻率調制功能，能在高頻開關時實現高效率，同時將電磁干擾（EMI）排放降至最低。其寬輸入/輸出電壓范圍（2.7V至40V）、低(V{IN})引腳靜態電流以及100%占空比能力，使其非常適合通用升壓和汽車預升壓應用。

1.1 關鍵特性

• Silent Switcher架構：有效降低EMI排放，滿足嚴苛的電磁兼容性要求。
• 超低EMI：通過優化的電路設計和布局，減少對外界的電磁干擾。
• 可選擴頻頻率調制：進一步降低EMI，提高系統的電磁兼容性。
• 集成40V、2.5A功率開關：簡化設計，減少外部元件數量。
• 寬輸入/輸出電壓范圍：適應多種電源輸入和輸出需求。
• 低(V_{IN})引腳靜態電流：在不同工作模式下，靜態電流低至0.3μA（關機模式）、4μA（突發模式）和15μA（直通模式），降低功耗。
• 100%占空比能力：在特定條件下實現同步MOSFET的全導通，提高轉換效率。
• 可調節和同步：開關頻率可在300kHz至3MHz范圍內編程，并可同步到外部時鐘。
• 輕載時的脈沖跳過或突發模式操作：根據負載情況自動調整工作模式，提高輕載效率。
• 輸出軟啟動和電源良好監測：保護電路和負載，確保系統穩定啟動。
• 內部補償：簡化設計，減少外部補償元件。
• 精確的1V使能引腳閾值：準確控制芯片的開啟和關閉。
• 小型16引腳（3mm × 3mm）LQFN封裝：節省電路板空間。
• AEC - Q100認證：適用于汽車應用，保證產品的可靠性和穩定性。

二、工作原理

2.1 固定頻率電流模式控制

LT8336采用固定頻率、電流模式控制方案，以實現出色的線路和負載調節。在每個振蕩器周期開始時，開關邏輯和電荷泵模塊通過驅動器G1導通功率開關M1。在M1導通期間，電感電流(I{L})流經M1，與穩定的斜率補償斜坡相加后輸入到PWM比較器A1的正端。A1負端的電壓“VC”由誤差放大器EA設置，是反饋電壓FB與參考電壓差值的放大版本。當A1正端信號超過VC時，A1發出信號關閉M1，同步功率開關M2導通，直到下一個時鐘周期開始或電感電流(I{L})降至零。通過這種重復操作，EA設置正確的(I_{L})峰值電流水平，以保持輸出電壓穩定。

2.2 直通模式（PassThru）

當(V{IN})高于(V{OUT})，且(V{OUT})高于由FB電阻網絡編程的調節電壓時，LT8336進入直通模式。此時，同步功率開關M2持續導通，功率開關M1持續關閉，(V{OUT})通過電感和M2本質上與(V{IN})短路，(V{IN})引腳靜態電流限制在15μA（典型值）。

2.3 模式選擇

通過SYNC/MODE引腳，LT8336提供五種可選操作模式，以優化性能：

• 接地或<0.1V：突發模式（Burst），輕載時低靜態電流、低輸出紋波。
• 通過50k電阻接地：突發模式+擴頻頻率調制（Burst/SSFM）。
• 浮空（引腳開路）：脈沖跳過模式（Pulse - Skipping）。
• 連接到(INTV{CC})或> ((INTV{CC}) – 0.2V)：脈沖跳過模式+擴頻頻率調制（Pulse - Skipping/SSFM）。
• 外部時鐘：脈沖跳過模式+同步（Pulse - Skipping/Sync）。

三、應用要點

3.1 編程(V_{IN})開啟和關閉閾值

通過EN/UVLO引腳，可以使用電阻分壓器編程(V{IN})的開啟和關閉閾值。在輕載突發模式下，為了減少電阻網絡對效率的影響，可以使用大阻值電阻。當不需要關機功能時，可將EN/UVLO引腳連接到(V{IN})；若需要關機控制，可將其連接到邏輯電平。

3.2 (INTV_{CC})調節器

內部低壓差（LDO）調節器從(V{IN})產生3.5V電源，為驅動器和內部偏置電路供電。(INTV{CC})引腳必須通過至少1μF的陶瓷電容接地，以提供功率MOSFET柵極驅動器所需的高瞬態電流。在高(V{IN})電壓和高開關頻率的應用中，由于LDO上的功率損耗增加，芯片溫度會升高。當(V{IN})低于2.9V時，最大可編程開關頻率會降低。

3.3 輕載電流操作

• 突發模式（Burst Mode）：在輕載時，LT8336可進入低紋波突發模式，通過降低開關頻率來維持輸出調節電壓，減少輸入靜態電流和輸出電壓紋波。使用較大值的電感可以提高輕載效率，但會增加輸出電壓紋波，可通過增加輸出電容來降低紋波。
• 脈沖跳過模式（Pulse - Skipping）：與突發模式不同，脈沖跳過模式下內部時鐘始終保持工作，所有開關周期與時鐘對齊。該模式下靜態電流較高，但輸出紋波和音頻噪聲、射頻干擾較低。

3.4 開關頻率和同步

開關頻率的選擇需要在效率和元件尺寸之間進行權衡。LT8336的開關頻率可通過RT引腳連接到地的單個外部電阻在300kHz至3MHz范圍內編程。同時，其工作頻率可以同步到最小脈沖寬度為100ns的外部時鐘源，此時應選擇RT電阻使編程的開關頻率盡可能接近同步脈沖頻率。

3.5 擴頻頻率調制

LT8336的擴頻頻率調制功能可進一步降低EMI排放。用戶可以通過將SYNC/MODE引腳通過50k電阻接地選擇突發模式下的擴頻頻率調制，或連接到(INTV_{CC})選擇脈沖跳過模式下的擴頻頻率調制。在輕載時，脈沖跳過模式下的擴頻頻率調制更有效。

3.6 (V{IN})到(V{OUT})直通模式操作

在汽車啟停和冷啟動的升壓預調節器應用中，當(V{IN})高于調節后的(V{OUT})電壓時，LT8336進入直通模式。在該模式下，(V{OUT})通過電感和M2與(V{IN})短路，(V{IN})引腳靜態電流低至15μA（典型值）。當(V{OUT})低于調節電壓、(V{IN})低于(V{OUT})一定值或M2的反向電流超過750mA（典型值）時，LT8336會退出直通模式。

3.7 FB電阻網絡和空載靜態電流

輸出電壓通過輸出和FB引腳之間的電阻分壓器編程。為了實現低輸入靜態電流和良好的輕載效率，應使用大阻值電阻。在不同的輸入輸出電壓條件下，可以使用相應的公式估算空載時的靜態電流。同時，使用大阻值FB電阻時，應連接4.7pF至22pF的相位超前電容，并仔細評估系統穩定性。

3.8 過壓鎖定

LT8336持續監測(V_{OUT})引腳電壓，當電壓超過約40V時，開關停止工作；當電壓降至40V或更低時，恢復正常開關。

3.9 開關頻率折返

當(V{IN})接近(V{OUT})時，為了避免因最小導通時間限制而導致的輸出紋波增大，LT8336采用開關頻率折返功能，平穩降低開關頻率。

3.10 啟動

為了限制啟動期間的峰值開關電流和(V{OUT})過沖，LT8336包含內部軟啟動電路。啟動時間取決于(V{IN})電壓和開關頻率，可通過相應公式計算。在啟動期間，LT8336選擇無擴頻頻率調制的脈沖跳過模式，忽略SYNC/MODE引腳配置。

3.11 元件選擇

• 電感選擇：在連續導通模式（CCM）下，根據輸出電壓和輸入電壓計算最大占空比，選擇合適的電感值。電感紋波電流(Delta I{SW})會影響電感值、轉換器的最大輸出電流能力和輕載效率。一般來說，(Delta I{SW})取值在0.3A至0.6A之間可作為許多應用的起始值。同時，應選擇具有足夠飽和和RMS電流額定值的電感。
• 輸入電容選擇：升壓轉換器的輸入紋波電流相對較低，輸入電容的電壓額定值應超過最大輸入電壓。輸入電容的值取決于源阻抗，源阻抗越高，所需的輸入電容越大。
• 輸出電容選擇：輸出電容的主要功能是濾波和存儲能量，應選擇低等效串聯電阻（ESR）的X5R或X7R型陶瓷電容，以降低輸出紋波和提高瞬態響應。除了大容量輸出電容外，還應在IC附近放置兩個1μF的小輸出陶瓷電容，以完成Silent Switcher取消環路。

3.12 電路板布局

為了實現最佳性能，LT8336需要使用多個(V{OUT})旁路電容。應在引腳6的(V{OUT})和引腳5的GND之間、引腳7的(V{OUT})和引腳8的GND之間分別連接一個1μF的電容，以完成Silent Switcher EMI取消環路。這些電容應盡可能靠近IC放置，形成的環路應對稱且盡可能小。同時，(V{IN})和(INTV_{CC})引腳的旁路電容也應連接到接地平面。輸出電容、電感和輸入電容應放置在電路板的同一側，SW和BST節點應盡可能小。FB和RT節點也應保持小尺寸，以減少噪聲干擾。

3.13 熱考慮

在PCB布局中，應注意LT8336的散熱問題。功率接地平面應采用大面積銅層和熱過孔，以擴散芯片產生的熱量。隨著結溫接近最大溫度額定值，應降低最大負載電流。可以通過效率測量計算總功率損耗，并減去電感損耗來估算芯片的功率損耗，進而計算結溫。LT8336包含內部過溫保護，當結溫超過170°C（典型值）時，芯片會關閉；當結溫降至165°C（典型值）以下時，內部軟啟動觸發。

四、典型應用

4.1 低靜態電流、低EMI、24V輸出升壓轉換器

該應用采用擴頻頻率調制（SSFM），在輸入電壓為8V至16V時，可輸出24V電壓，適用于對EMI要求較高的場合。

4.2 8V至16V輸入、36V輸出升壓轉換器

能夠在較寬的輸入電壓范圍內提供36V輸出，適用于需要高輸出電壓的應用。

4.3 2.7V至28V輸入、28V輸出升壓轉換器

可適應較寬的輸入電壓范圍，輸出28V電壓，滿足不同電源輸入的需求。

4.4 汽車預升壓轉換器

適用于汽車啟停和冷啟動應用，具有20V或10V的調節輸出和高效的直通模式，在不同輸入電壓下能保持較高的效率。

五、相關部件

除了LT8336，Analog Devices還提供了一系列相關的電源管理芯片，如LT8330、LT8331、LT8337等，這些芯片在不同的電壓、電流和應用場景下具有各自的特點和優勢，工程師可以根據具體需求進行選擇。

總之，LT8336是一款功能強大、性能優越的同步升壓DC/DC轉換器，在汽車、工業和通用電源等領域具有廣泛的應用前景。通過深入了解其特性、工作原理和應用要點，電子工程師們可以更好地設計出高效、穩定的電源管理系統。你在實際應用中是否遇到過類似芯片的設計挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。