LT8390：高性能4開關降壓 - 升壓控制器的詳細解析

一、引言

在電子設計領域，電源管理是一個至關重要的環節。對于需要在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下穩定調節輸出的應用場景，LT8390這款同步4開關降壓 - 升壓控制器無疑是一個優秀的選擇。它具有諸多出色的特性，能廣泛應用于汽車、工業、電信等多個領域。接下來，我們將對LT8390進行全面深入的剖析。

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二、產品特性

2.1 架構與電壓適應能力

采用4開關單電感架構，這使得它能夠適應輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的各種情況。無論是在復雜多變的電源環境中，還是在對電壓穩定性要求極高的應用里，這種架構都能確保穩定的電壓輸出。

2.2 同步開關與高效性能

同步開關技術的運用，讓其效率最高可達98%。這不僅能有效降低功耗，還能減少發熱，提高系統的可靠性和穩定性。同時，其專有的峰值降壓/峰值升壓電流模式控制方案，為精確的電流控制提供了有力保障。

2.3 寬輸入電壓范圍與高精度輸出

輸入電壓范圍為4V至60V，輸出電壓范圍為1V至60V，且輸出電壓精度可達±1.5%，輸入或輸出電流精度在有監測的情況下可達±3%。如此寬的電壓范圍和高精度的輸出，使得LT8390能夠滿足眾多不同應用的需求。

2.4 低EMI設計

具備擴頻頻率調制功能，可有效降低電磁干擾（EMI）。在對電磁兼容性要求嚴格的應用中，這一特性顯得尤為重要，能避免對其他設備產生干擾。

2.5 其他特性

還集成了高端PMOS負載開關驅動器、自舉二極管等，并且在降壓或升壓模式下無頂部MOSFET刷新噪聲。其開關頻率可在150kHz至650kHz之間調節和同步，關機時輸出與輸入斷開，同時提供了多種封裝形式，如28引腳TSSOP和28引腳QFN（4mm × 5mm），還通過了AEC - Q100汽車應用認證。

三、電氣特性

3.1 電源相關特性

• 輸入電壓范圍：4V至60V，能適應不同的電源環境。
• 靜態電流：在不同的使能狀態下，輸入和輸出的靜態電流都非常低，有助于降低功耗。

  3.2 線性調節器特性

• INTVCC：其調節電壓為4.85V至5.15V，負載調節和線性調節性能良好，電流限制為80mA至160mA，欠壓鎖定閾值和滯后也有明確的規定。
• VREF：調節電壓為1.97V至2.03V，負載調節和線性調節精度高，電流限制為2mA至3.2mA。

  3.3 控制輸入/輸出特性

• EN/UVLO：具有明確的關斷閾值和使能閾值，以及相應的滯后電流。
• CTRL：可用于編程ISP/ISN電流限制，不同的電壓范圍對應不同的電流限制模式。

  3.4 負載開關驅動器特性

• LOADEN：有明確的閾值和滯后，能有效控制負載開關的通斷。

  3.5 誤差放大器特性

• 對滿量程電流調節和1/10電流調節都有精確的控制，ISMON能準確監測電流。

  3.6 電流比較器特性

• 有最大電流檢測閾值和反向電流檢測閾值，能有效保護電路。

  3.7 故障保護特性

• 對FB過壓、短路等故障有明確的閾值和滯后，PGOOD能及時反饋電源狀態。

  3.8 振蕩器特性

• 開關頻率可通過RT引腳設置，還支持同步和擴頻功能。

  3.9 區域轉換特性

• 在不同的輸入輸出電壓比下，能實現平滑的模式轉換。

  3.10 NMOS驅動器特性

• 對TG1、TG2和BG1、BG2的驅動電阻、上升時間、下降時間等都有詳細的參數規定。

四、工作原理

4.1 功率開關控制

通過四個功率開關A、B、C、D與電感L、電流檢測電阻RSENSE、電源輸入VIN和輸出VOUT相連，根據輸入輸出電壓比的不同，采用不同的電流模式控制，實現了在降壓、降壓 - 升壓和升壓區域之間的平滑過渡。具體分為四種狀態：

• 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，如同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在開始的15%周期內打開，開關D在剩余的85%周期內打開，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在開始的85%周期內打開，開關B在剩余的15%周期內打開，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，如同典型的同步升壓調節器。

  4.2 主控制回路

  通過電感檢測電阻檢測電感電流，將電流檢測電壓放大并與斜坡補償信號相加，輸入到降壓和升壓電流比較器中。根據峰值降壓/峰值升壓電流模式控制的狀態，由降壓邏輯或升壓邏輯控制四個功率開關，實現對FB電壓或ISP/ISN電流的調節。

  4.3 輕載電流操作

  在輕載時，LT8390可運行在全開關頻率不連續導通模式或脈沖跳過模式，通過設置反向電流檢測閾值，避免電感電流反向，提高效率。

  4.4 內部充電路徑

  每個頂部MOSFET驅動器由其浮動自舉電容偏置，當頂部MOSFET關閉時，通過集成的自舉二極管由INTVCC充電。在降壓或升壓區域單獨工作時，內部充電路徑可確保自舉電容充電到4.6V，使頂部MOSFET保持導通。

  4.5 關機和上電復位

  當EN/UVLO引腳低于關斷閾值時，進入關機模式，靜態電流小于2μA；當高于關斷閾值時，喚醒啟動電路，生成帶隙基準，為內部INTVCC LDO供電。當INTVCC引腳充電高于上升UVLO閾值，EN/UVLO引腳通過上升使能閾值，且結溫低于熱關斷溫度時，進入使能模式，經過上電復位后，等待CTRL和LOADEN引腳信號開始開關操作。

  4.6 啟動和故障保護

  啟動過程分為多個狀態，通過SS引腳的電壓變化控制輸出電壓的軟啟動。在輸出短路時，可通過連接不同阻值的電阻設置打嗝、鎖存或持續運行三種故障保護模式。

五、應用信息

5.1 開關頻率選擇

開關頻率在150kHz至650kHz之間選擇，需要在效率和組件尺寸之間進行權衡。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。同時，在對噪聲敏感的系統中，應選擇合適的開關頻率以避免干擾敏感頻段。

5.2 開關頻率設置

通過將SYNC/SPRD引腳接地，使用RT引腳到地的電阻設置開關頻率。不同的電阻值對應不同的開關頻率，具體可參考表格。

5.3 擴頻頻率調制

通過將SYNC/SPRD引腳連接到INTVCC，可實現±15%的三角擴頻頻率調制，有效改善電磁干擾性能。

5.4 頻率同步

可使用SYNC/SPRD引腳將開關頻率同步到外部時鐘，驅動信號的占空比應在10%至90%之間，上升沿表示開關周期的開始。

5.5 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，可根據客戶設定的紋波允許值計算最小電感值。同時，為保證穩定性，在占空比大于50%時，還需滿足一定的電感要求。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，最好使用屏蔽電感以減少輻射噪聲。

5.6 RSENSE選擇和最大輸出電流

RSENSE根據所需輸出電流選擇，其在降壓和升壓區域的最大電流檢測閾值決定了最大電感峰值電流。可根據不同區域的公式計算最大平均負載電流和最大電流檢測電阻值，最終RSENSE值應低于計算值，并保留一定的余量。

5.7 功率MOSFET選擇

需要四個外部N溝道功率MOSFET，應考慮其擊穿電壓、閾值電壓、導通電阻、反向傳輸電容和最大電流等參數。根據不同開關在不同區域的工作情況，計算其最大功耗，并通過公式計算結溫，確保MOSFET在安全溫度范圍內工作。

5.8 可選肖特基二極管選擇

可選的肖特基二極管DB和DD可在功率MOSFET開關的死區時間內導通，防止同步開關的體二極管導通和存儲電荷，提高轉換器效率，降低開關電壓應力。

5.9 CIN和COUT選擇

輸入和輸出電容用于抑制電壓紋波，應選擇低ESR和高紋波電流額定值的電容。陶瓷電容應靠近調節器輸入和輸出放置，以抑制高頻開關尖峰。根據不同區域的電流情況，計算輸入和輸出電容的紋波電壓，選擇合適的電容值。

5.10 INTVCC調節器

內部P溝道低壓差調節器從VIN引腳產生5V的INTVCC電壓，為內部電路和柵極驅動器供電。應使用至少4.7μF的陶瓷電容對其進行旁路，以提供MOSFET柵極驅動器所需的高瞬態電流。在高輸入電壓和高開關頻率的應用中，需注意功率耗散和結溫，可通過公式估算結溫。

5.11 頂部MOSFET驅動器電源

頂部MOSFET驅動器由浮動自舉電容偏置，自舉電容需存儲約100倍頂部開關所需的柵極電荷，通常使用0.1μF至0.47μF、X5R或X7R介質的電容。

5.12 編程VIN UVLO

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

5.13 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檢測電阻RIS，使用CTRL引腳編程輸入或輸出電流限制。當CTRL引腳電壓在不同范圍時，電流限制有不同的計算公式。同時，若RIS放置在特定位置，可能需要使用低通濾波器來減少電流紋波和穩定電流環路。

5.14 ISMON電流監測

ISMON引腳提供通過ISP/ISN電流檢測電阻RIS的電流的緩沖監測輸出，可用于并聯應用中的電流共享。

5.15 負載開關控制

LOADEN和LOADTG引腳用于控制高端PMOS負載開關的通斷，將LOADEN引腳拉低可關閉TG1和TG2，打開BG1和BG2，斷開VC引腳與內部負載的連接，并關閉LOADTG。

5.16 高端PMOS負載開關選擇

在需要負載開關控制的應用中，應選擇合適的高端PMOS負載開關，考慮其漏源電壓、柵源閾值電壓和連續漏電流等參數。

5.17 編程輸出電壓和閾值

通過FB引腳和反饋電阻R3、R4可編程恒定電壓輸出，同時可設置輸出過壓閾值、PGOOD上下閾值和輸出短路閾值。

5.18 電源GOOD（PGOOD）引腳

PGOOD引腳為開漏狀態，當VFB在1.00V調節電壓的±10%范圍內時，引腳被拉低，可通過外部電阻上拉。

5.19 軟啟動和短路保護

通過在SS引腳連接外部電容可實現輸出電壓的軟啟動，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，通過連接不同阻值的電阻到VREF引腳，可設置三種不同的故障保護模式。

5.20 環路補償

LT8390使用內部跨導誤差放大器，通過VC引腳的補償電阻和電容優化控制環路響應和穩定性。對于典型的電壓調節器應用，VC引腳使用10nF的補償電容，并串聯電阻以提高VC引腳的壓擺率，確保在輸入電源快速瞬變時保持更嚴格的輸出電壓調節。

5.21 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%。LT8390電路中的主要損耗源包括DC I2R損耗、過渡損耗、INTVCC電流、CIN和COUT損耗以及其他損耗。在調整以提高效率時，輸入電流是效率變化的最佳指標。

六、PCB布局檢查清單

6.1 基本布局要求

• 采用專用的接地平面層，對于高電流應用，多層板可為功率組件提供散熱。
• 接地平面層應無走線，且應盡可能靠近功率MOSFET所在層。

  6.2 組件布局

• 將CIN、開關A、開關B和DB放置在一個緊湊的區域，將COUT、開關C、開關D和DD放置在另一個緊湊的區域。
• 使用立即過孔將組件連接到接地平面，每個功率組件使用多個大過孔。

  6.3 電源平面

  使用平面用于VIN和VOUT，以保持良好的電壓濾波和低功率損耗。

  6.4 銅填充

  將所有層的未使用區域用銅填充，將銅區域連接到任何DC網絡（VIN或GND），以降低功率組件的溫度上升。

  6.5 信號和功率接地分離

  將信號和功率接地分離，所有小信號組件應從底部返回暴露的GND焊盤，然后在靠近開關B和開關C源極的位置連接到功率GND。

  6.6 開關位置

  將開關A和開關C盡可能靠近控制器放置，保持PGND、BG和SW走線短。

  6.7 高dV/dT節點處理

  將高dV/dT的SW1、SW2、BST1、BST2、TG1和TG2節點遠離敏感的小信號節點。

  6.8 電流路徑

  開關A、開關B、DB和CIN電容形成的路徑以及開關C、開關D、DD和COUT電容形成的路徑應具有短的引線和PCB走線長度。

  6.9 電容連接

  輸出電容的（ - ）端子應盡可能靠近輸入電容的（ - ）端子連接。

  6.10 頂部驅動器電容連接

  將頂部驅動器升壓電容CBST1緊密連接到BST1和SW1引腳，將CBST2緊密連接到BST2和SW2引腳。

  6.11 輸入和輸出電容連接

  將輸入電容CIN和輸出電容COUT緊密連接到功率MOSFET，這些電容承載MOSFET的交流電流。

  6.12 電流檢測走線

  將LSP和LSN走線一起布線，最小化PCB走線間距，避免感測線穿過嘈雜區域，如開關節點。LSP和LSN之間的濾波電容應盡可能靠近IC，并使用Kelvin連接確保準確的電流檢測，推薦使用低ESL感測電阻。

  6.13 VC引腳補償網絡連接

  將VC引腳補償網絡靠近IC連接在VC和信號接地之間，電容有助于過濾PCB噪聲和輸出電壓紋波對補償環路的影響。

  6.14 INTVCC旁路電容連接

  將INTVCC旁路電容CINTVCC靠近IC連接在INTVCC和功率接地之間，該電容承載MOSFET驅動器的電流峰值。在INTVCC引腳和功率接地旁邊立即放置一個額外的1μF陶瓷電容可顯著改善噪聲性能。

七、典型應用

7.1 98%高效48W（12V 4A）微型降壓 - 升壓電壓調節器

該應用展示了LT8390在特定功率和電壓條件下的高效性能，通過合理選擇電感、MOSFET、電容等組件，實現了穩定的電壓輸出和高轉換效率。

7.2 98%高效300W（12V 25A）降壓 - 升壓電壓調節器

適用于高功率應用，詳細介紹了組件的選擇和電路的設計，同時給出了效率與負載電流、功率損耗與負載電流的關系曲線，為實際應用提供了參考。

7.3 125W（25V 5A）太陽能電池板到12V電池充電器

將LT8390應用于太陽能充電領域，實現了從太陽能電池板到電池的高效充電，展示了其在可再生能源領域的應用潛力。

八、總結

LT8390作為一款高性能的同步4開關降壓 - 升壓控制器，憑借其出色的特性、靈活的工作模式和豐富的應用功能，在電源管理領域具有廣泛的應用前景。無論是在汽車、工業、電信等傳統領域，還是在太陽能充電等新興領域，都能發揮重要作用。電子工程師在設計過程中，可根據具體應用需求，合理選擇組件和設置參數，充分發揮LT8390的優勢