LT8603：高度靈活的四輸出調節器解決方案

在電子設計領域，電源管理芯片的性能和功能對于系統的穩定性和效率起著至關重要的作用。LT8603作為一款高度靈活的四輸出調節器，為工程師們提供了強大的電源解決方案。本文將深入探討LT8603的特性、工作原理、應用信息以及典型應用，幫助工程師更好地了解和應用這款芯片。

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一、產品概述

LT8603是一款高度靈活的四輸出調節器，它結合了兩個高輸入電壓能力的單片降壓開關調節器、一個低輸入電壓能力的單片降壓調節器和一個升壓控制器，能夠在占用最小電路板空間的同時滿足廣泛的應用需求。該芯片具有以下顯著特點：

1. 靈活的電源系統：能夠提供四個穩壓輸出，即使在 (V{BAT} ll V{OUT}) 的情況下也能正常工作。
2. 多通道輸出：包括兩個高壓同步降壓調節器（輸入電壓范圍3V - 42V，輸出電流分別可達2.5A和1.5A）、一個低壓同步降壓調節器（輸入電壓范圍2.6V - 5.5V，輸出電流可達1.8A）以及一個升壓控制器。
3. 低靜態電流：可選的Burst Mode?操作允許在高壓通道激活時實現低至28μA的靜態電流。
4. 可編程功能：具有可編程的上電復位功能和獨立通道的電源良好指示。
5. 寬開關頻率范圍：降壓開關頻率范圍為250kHz至2.2MHz。
6. 封裝與認證：采用40引腳QFN（6mm × 6mm）封裝，并且通過了AEC - Q100汽車應用認證。

二、電氣特性

（一）偏置和內部調節器

• 通道1、2和3的最小工作 (V{IN}) 為2.7V - 3.0V，啟動時最小 (V{IN}) 為3.1V - 3.3V；通道4的最小工作 (V{IN}) 為3.0V - 3.2V，啟動時最小 (V{IN}) 為4.0V - 4.15V。
• 關機時 (V{IN}) 靜態電流在 (V{BIAS} = 0V)，(EN/UVLO = 0.4V) 條件下為0.1 - 1μA。
• 總工作電流在不同通道激活和空載情況下有所不同，例如 (V_{BATT} = 12V) 時，通道1和2激活且空載為28μA，所有通道激活且空載為50μA。

（二）振蕩器

• 開關頻率可通過RT引腳連接的電阻進行編程，不同等級（E、I、J）和不同RT值對應不同的開關頻率。例如，RT = 28.7kΩ時，E、I - 等級的開關頻率為1.75 - 1.8MHz，J - 等級為2.2MHz。
• SYNC輸入頻率范圍為0.25 - 2.2MHz，輸入電壓低為0.3V，高為1.2V。

（三）各通道特性

每個通道都有其獨特的反饋電壓、輸入電流、線路調節、峰值電流限制等特性。例如，通道1的反饋電壓在E - 、I - 等級為0.985 - 1.015V，J - 等級為0.98 - 1.015V；SW1峰值電流限制為2.0 - 3.7A。

三、工作原理

（一）啟動過程

當 (EN/UVLO) 電壓高于閾值時，LT8603的 (INTV{CC}) 調節器對其輸出電容充電，為內部芯片電路供電。如果 (BIAS) 高于3.1V，(BIAS) 為 (INTV{CC}) 調節器提供電流，以降低 (V{IN}) 靜態電流。升壓控制器通過 (FSEL4A) 和 (FSEL4B) 引腳的邏輯高電平啟用，(INTV{CC4}) 調節器對其輸出電容充電，當 (INTV_{CC4}) 電壓超過4.0V時，升壓控制器的柵極驅動器開始向外部MOSFET提供柵極驅動脈沖。

（二）各通道工作模式

1. 高壓降壓調節器（通道1和2）：每個高壓通道是一個同步降壓調節器，從獨立的 (PVIN) 引腳獲取電源。內部頂部功率MOSFET在每個振蕩器周期開始時導通，當流經頂部MOSFET的電流達到由誤差放大器確定的水平時關閉。誤差放大器通過與FB引腳相連的外部電阻分壓器測量輸出電壓，以控制頂部開關的峰值電流。
2. 低壓降壓調節器（通道3）：低壓通道也是一個同步降壓調節器，(PVIN) 引腳具有2.35V的欠壓鎖定功能。頂部功率MOSFET在每個振蕩器周期開始時導通，當流經頂部MOSFET的電流達到由誤差放大器確定的水平時關閉。該通道具有RUN3引腳用于電源排序，以及內部軟啟動電路，可在1ms內將輸出電壓升高。
3. 升壓控制器（通道4）：升壓控制器包括誤差放大器、環路補償、電流比較器、開關控制邏輯和柵極驅動器。通過 (FSEL4A) 和 (FSEL4B) 引腳控制其啟用和時鐘頻率選擇。外部N溝道MOSFET由內部時鐘導通，當電流比較器感測到的電感電流超過閾值時關閉。

（三）多相開關

振蕩器產生兩個相位相差180°的時鐘信號，通道1和3由CLK1驅動，通道2和4由CLK2驅動。通道4的時鐘可以選擇CLK2的÷1、÷2或÷5版本。多相操作可以降低峰值輸入電流，提高輸入電流頻率，從而減少輸入電流紋波和所需的輸入電容。

（四）欠壓鎖定

(EN/UVLO) 引腳用于將LT8603置于關機狀態，將輸入電流降低到小于1μA。該引腳具有精確的1.2V閾值，通過與外部電阻分壓器相連，可實現可編程的 (V_{IN}) 欠壓鎖定功能。50mV的滯后電壓可防止開關噪聲意外關閉LT8603。

（五）電源良好比較器

通道1、2和3的電源良好比較器在反饋引腳電壓偏離其參考電壓超過8%時觸發，通道4的電源良好比較器在輸出電壓低于其參考電壓超過8%時指示。PG輸出引腳為開漏輸出，當相應輸出超出調節范圍時拉低。

（六）上電復位定時器

LT8603包含一個上電復位定時器，其超時時間可通過CPOR引腳連接的外部電容進行調整。當 (POREN) 引腳高于1.2V時，定時器啟動。RST引腳為開漏輸出，具有約2V的弱上拉，在定時器超時前保持低電平。

四、應用信息

（一）系統架構

LT8603將三個降壓轉換器和一個升壓控制器相結合，可配置為提供多達四個穩壓輸出。四個通道獨立供電，連接方式多樣。例如，升壓輸出可用于為降壓轉換器提供輸入電壓，即使在升壓輸入電壓低于穩壓降壓輸出時（如汽車冷啟動情況），也能實現三個緊密穩壓的輸出。

（二）(V_{IN}) 電壓范圍

LT8603內部電路和降壓轉換器啟動的 (V{IN}) 最小電壓為3.1V，但升壓控制器和 (INTV{CC4}) 調節器啟動至少需要4V。啟動后，升壓控制器可配置為為 (V_{IN}) 和 (PVIN) 引腳供電，此時升壓控制器的輸入電壓可以低于3V。

（三）啟用和欠壓鎖定

(EN/UVLO) 引腳可用于編程最小系統啟動電壓或欠壓鎖定（UVLO）電壓，其內部閾值為1.2V，具有50mV的滯后。

（四）開關頻率

所有四個通道共享一個振蕩器，降壓通道以振蕩器頻率開關，升壓通道可以以 (f{OSC})、(f{OSC}/2) 或 (f_{OSC}/5) 的頻率開關。開關頻率范圍應在選擇振蕩器頻率之前確定，低頻通常提供更好的效率和更寬的工作范圍，高頻則使用更小的組件并將開關噪聲移至敏感頻段之外，但效率較低。振蕩器頻率可通過將電阻從RT引腳連接到地進行編程，范圍為250kHz至2.2MHz。

（五）模式選擇和同步

通過將SYNC引腳連接到低于0.3V的電壓（如地）可選擇低紋波Burst Mode操作；連接到高于1.2V的電壓（如 (INTV_{CC})）可選擇脈沖跳過操作。將SYNC引腳與250kHz至2.2MHz的外部時鐘脈沖序列驅動，可使LT8603同步到外部頻率，此時LT8603將以脈沖跳過模式運行。

（六）(INTV_{CC}) 調節器

(INTV{CC}) 為振蕩器和參考等公共電路供電，其主要電流需求來自高壓降壓轉換器的柵極驅動器。啟動時由 (V{IN}) 供電，如果 (BIAS) 至少為3.1V，則從 (BIAS) 汲取電流。將 (BIAS) 引腳連接到開關調節器通道可提高效率、降低芯片功耗和睡眠電流。

（七）升壓控制器

1. 功能描述：通道4是一組與外部組件連接形成升壓轉換器的功能元件。誤差放大器將輸出電壓的一部分與800mV參考電壓進行比較，輸出 (I{LIM4}) 到電流比較器以設置峰值電流。電流比較器通過ISP4和ISN4引腳之間的小感測電阻感測電感電流，跳閘電平由誤差放大器輸出 (I{LIM4}) 和斜率補償信號 (SLOPE4) 設置，最大跳閘電平為50mV。
2. 輸出電壓設置：通過將FB4引腳連接到輸出的電阻分壓器來設置升壓控制器的輸出電壓。
3. 升壓配置：升壓控制器可配置為標準升壓調節器，當電池電壓下降到一定值以下時，升壓控制器將激活以維持輸出電壓。該配置的一個限制是無法為升壓輸出提供短路保護，如需短路過載保護，可考慮SEPIC配置。
4. SEPIC配置：SEPIC配置具有兩個主要優點，一是像降壓/升壓一樣，可在任何輸入電壓下調節到準確的輸出電壓；二是提供短路保護和關機時0V輸出。缺點是電路更復雜，需要額外的組件。

（八）降壓調節器

1. 輸出電壓設置：通過從輸出到相關FBx引腳的電阻分壓器設置降壓通道的輸出電壓。
2. 工作頻率和輸入電壓范圍：每個降壓調節器的最小導通時間和最小關斷時間對可實現的占空比范圍和工作頻率施加限制。
3. 電感選擇：電感選擇涉及電感值、飽和電流、串聯電阻和磁損耗。選擇合適的電感值可根據特定公式計算，同時要確保電感的RMS電流額定值大于應用的最大預期輸出負載，飽和電流額定值高于負載加一半紋波電流。
4. 短路輸出保護：如果底部MOSFET電流在時鐘周期開始時超過谷底電流限制，頂部MOSFET將保持關閉，直到過流情況消除。
5. 輸入電容選擇：降壓轉換器從輸入電源以脈沖形式吸取電流，需要輸入電容來減少輸入電壓紋波和最小化EMI。
6. 輸出電容選擇：輸出電容用于過濾電感電流以產生低電壓紋波的輸出，并存儲能量以最小化瞬態負載期間的下垂和過沖。
7. 升壓電容選擇：高壓通道需要高于 (PVIN) 的電壓來驅動頂部NFET開關的柵極，通過在每個通道的BST和SW引腳之間連接電容可創建約3.3V的電壓。
8. RUN、軟啟動、跟蹤：除了控制整個芯片的全局 (EN/UVLO) 引腳外，每個通道都有自己的獨立控制引腳。低壓通道的RUN引腳具有1.2V的固定內部閾值，超過該閾值時啟動軟啟動。通道1和2的TRKSSx控制引腳可用于以受控方式提升每個輸出，實現輸出電壓跟蹤和可編程輸出軟啟動功能。
9. Burst Mode操作：將SYNC引腳保持低電平以選擇Burst Mode操作，LT8603將在輕載時自動轉換到Burst Mode以實現最佳效率。

（九）一般功能

1. 電源良好比較器：每個LT8603通道都有一個電源良好比較器，其開漏輸出引腳PGx在相應反饋電壓偏離參考電壓超過8%時拉低。
2. 上電復位定時器：LT8603提供可編程的復位定時器，通過CPOR引腳連接的電容可調整上電復位超時時間。
3. 排序：LT8603在每個通道的輸出排序方面提供靈活性，包括上電復位定時器。每個通道都有電源良好輸出和輸入控制引腳，可實現復雜的排序功能。

（十）PCB布局

為了確保LT8603的正常運行和最小化EMI，在印刷電路板布局時需要注意以下幾點：

• 對于每個降壓調節器，輸入電容形成的電流環路應盡可能小，將輸入電容靠近 (PVIN) 引腳和相鄰的GND引腳放置。
• 升壓控制器輸出環路（包括二極管和輸出電容組件）的 (di/dt) 最高，應將涉及二極管和輸出電容的環路保持盡可能小。
• 在應用電路下方的層放置局部、連續的接地平面，將SW和BST節點盡量縮小，以減少對敏感走線的噪聲耦合。
• 最小化連接到RT和所有FB引腳的走線，并根據需要提供接地屏蔽，以減少對這些敏感節點的噪聲耦合。
• 封裝底部的暴露焊盤必須與電路板接地良好的電氣和熱連接，為了獲得最佳性能，應最大化電路板接地平面和熱過孔。

（十一）熱考慮

LT8603的暴露焊盤是將熱量從硅芯片傳導到PCB板和周圍空氣的主要路徑。應在器件下方放置熱過孔，將熱量傳導到內部接地平面和電路板背面。多個小過孔比幾個大過孔效果更好，因為銅是比可能填充過孔的焊料更好的導體。電路板平面將熱量分布到更大的區域，從而降低封裝到空氣的熱阻。良好的設計可以實現22°C/W的有效 (θ_{JA})。隨著環境溫度接近最大結溫額定值，應降低最大負載電流。

五、典型應用

（一）首頁應用詳情

展示了一個具體的電路應用，包括各個組件的參數和連接方式，以及啟動序列的波形圖。該應用可在汽車冷啟動等場景中提供穩定的電源輸出。

（二）通道4配置為SEPIC的四穩壓輸出

將通道4配置為SEPIC轉換器，可提供四個穩壓輸出，適用于需要更復雜電源配置的應用。

（三）通道4由通道2驅動的四穩壓輸出

通道4由通道2驅動，實現四個穩壓輸出，這種配置可以根據具體應用需求靈活調整電源分配。

（四）通道4提供48V輸出的四穩壓輸出

適用于需要高電壓輸出的應用場景，展示了LT8603在不同輸出電壓需求下的靈活性。

六、總結

LT8603作為一款高度靈活的四輸出調節器，具有豐富的功能和出色的性能。它能夠滿足多種應用場景的需求，無論是汽車電子、工業控制還是其他領域，都能提供穩定可靠的電源解決方案。工程師在使用LT8603時，需要根據具體應用需求合理選擇組件參數、配置工作模式，并注意PCB布局和熱管理等方面，以充分發揮該芯片的優勢。你在實際應用中是否遇到過類似芯片的使用難題？你對電源管理芯片的發展趨勢有什么看法？歡迎在評論區分享你的經驗和觀點。