深度解析LTC7821混合降壓同步控制器

一、引言

在電子工程領域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統的效率、穩定性和可靠性。LTC7821作為一款先進的混合降壓同步控制器，憑借其獨特的架構和卓越的性能，在眾多應用場景中展現出強大的優勢。本文將深入剖析LTC7821的特性、工作原理、應用信息等方面，為電子工程師提供全面的參考。

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二、LTC7821特性亮點

2.1 寬輸入電壓范圍

LTC7821具有10V至72V（80V絕對最大）的寬輸入電壓范圍，這使得它能夠適應多種不同的電源環境，為不同的應用場景提供了廣泛的選擇。無論是在工業、汽車還是通信領域，都能穩定工作。

2.2 軟開關技術

采用軟開關技術，實現了低噪聲運行。軟開關可以減少開關過程中的電壓和電流尖峰，降低電磁干擾（EMI），提高系統的穩定性和可靠性。這對于對噪聲敏感的應用，如通信設備和音頻系統，尤為重要。

2.3 鎖相固定頻率

其固定頻率范圍為200kHz至1.5MHz，并且支持鎖相功能。這使得LTC7821能夠與外部時鐘同步，減少系統中的時鐘干擾，提高系統的整體性能。同時，可調節的頻率范圍也為不同的應用需求提供了靈活性。

2.4 高精度輸出電壓

輸出電壓精度達到±1%，能夠為負載提供穩定、精確的電壓。這對于對電壓精度要求較高的應用，如微處理器、傳感器等，至關重要。

2.5 多種電流傳感方式

支持 (R{SENSE}) 或DCR電流傳感方式。 (R{SENSE}) 傳感方式簡單直接，能夠提供準確的電流測量；而DCR傳感方式則可以節省成本，提高效率，尤其在高電流應用中表現出色。

2.6 可編程工作模式

具備可編程的CCM（連續導通模式）、DCM（不連續導通模式）或Burst Mode? （突發模式）操作。不同的工作模式適用于不同的負載情況，能夠在輕載和重載時都保持高效運行。

2.7 多相操作功能

CLKOUT引腳支持多相操作，通過多個LTC7821并聯，可以實現更高的輸出電流和更好的負載分配，滿足高功率應用的需求。

2.8 短路保護

內置短路保護功能，當輸出發生短路時，能夠迅速切斷電路，保護芯片和負載免受損壞，提高系統的安全性。

2.9 外部電源輸入

(EXTV_{CC}) 輸入可提高效率。當外部電源電壓高于7V時，芯片會自動切換到外部電源供電，減少內部線性調節器的功耗，提高系統的整體效率。

2.10 單調輸出電壓啟動

能夠實現單調輸出電壓啟動，避免輸出電壓在啟動過程中出現過沖或振蕩，確保系統的穩定啟動。

2.11 可選外部參考

支持可選的外部參考，用戶可以根據需要選擇內部參考或外部參考，靈活調整輸出電壓。

三、典型應用場景

3.1 中間總線轉換器

在中間總線轉換器中，LTC7821能夠將高電壓轉換為適合后續電路使用的低電壓，為系統提供穩定的電源。其高效的轉換效率和寬輸入電壓范圍，使得它在中間總線轉換應用中表現出色。

3.2 高電流分布式電源系統

對于高電流分布式電源系統，LTC7821的多相操作功能可以實現多個芯片并聯，提供更高的輸出電流。同時，其高精度的輸出電壓和短路保護功能，能夠確保系統的穩定運行。

3.3 電信、數據通信和存儲系統

在電信、數據通信和存儲系統中，對電源的穩定性和可靠性要求極高。LTC7821的低噪聲運行和高精度輸出電壓，能夠滿足這些系統對電源的嚴格要求。

3.4 汽車應用

汽車電子系統對電源的性能和可靠性要求也非常高。LTC7821的寬輸入電壓范圍和短路保護功能，使其能夠適應汽車復雜的電源環境，為汽車電子設備提供穩定的電源。

四、工作原理

4.1 電容平衡階段

在初始上電時，芯片會測量飛跨電容 (C{FLY}) 和 (C{MID}) 兩端的電壓。如果這些電壓不等于 (V{IN}/2) ，定時器電容開始充電。當定時器電容電壓達到0.5V時，內部電流源開啟，將 (C{FLY}) 電壓充電到 (V{IN}/2) ，然后再將 (C{MID}) 充電到 (V{IN}/2) 。在此期間，TRACK/SS引腳被拉低，所有外部MOSFET關閉。如果在定時器電容電壓達到1.2V之前， (C{FLY}) 和 (C{MID}) 電壓達到 (V{IN}/2) ，TRACK/SS引腳釋放，正常工作開始；否則，內部電流源關閉，定時器電容以一半的速率充電至4V，然后重置為零，重復上述過程。

在正常運行時，僅監測 (C{MID}) 電壓是否偏離 (V{IN}/2) ，偏離范圍由HYSPRGM引腳連接的電阻設置。如果 (V{CMID}) 超出該范圍，所有開關停止，TRACK/SS引腳被拉低，內部電流源開啟，將 (C{FLY}) 和 (C{MID}) 電壓恢復到 (V_{IN}/2) ，FAULT引腳被拉低，平衡完成后釋放。

4.2 主控制環路

電容平衡階段完成后，進入正常工作模式。當時鐘設置RS鎖存器時，MOSFET M1和M3開啟；當主電流比較器 (I{CMP}) 重置RS鎖存器時，M1和M3關閉，M2和M4開啟。 (I{CMP}) 重置RS鎖存器的峰值電感電流由ITH引腳的電壓控制，該電壓是誤差放大器EA的輸出。 (V{FB}) 引腳接收電壓反饋信號，與內部參考電壓比較，當負載電流增加時， (V{FB}) 相對0.8V參考電壓略有下降，導致 (I_{TH}) 電壓增加，直到平均電感電流匹配新的負載電流。

4.3 (INTV{CC}/EXTV{CC}) 電源

自舉驅動器、底部MOSFET和大多數內部電路的電源來自 (INTV{CC}) 引腳。當 (EXTV{CC}) 引腳接地或電壓低于7V時，內部5.8V線性調節器從 (V{IN}) 提供 (INTV{CC}) 電源；當 (EXTV{CC}) 電壓高于7V時，該線性調節器關閉，另一個5.8V線性調節器開啟，從 (EXTV{CC}) 提供 (INTV_{CC}) 電源，提高系統效率。

4.4 自舉電容刷新

三個最上面的MOSFET驅動器分別由各自的浮動自舉電容CB1至CB3偏置，這些電容在開關過程中通過由二極管D1至D3和外部MOSFET組成的電荷泵配置進行刷新。在電荷平衡階段或輕載條件下，開關可能長時間停止，自舉電容電壓可能下降，欠壓檢測器會監測電容電壓。當任何一個電容電壓低于3V時，內部1mA電流源開啟，通過電容上極板對其充電，同時連接到下極板的1mA電流源開啟，確保下極板電容節點凈零殘余電流。當CB1和CB2/CB3分別達到4.3V和4.47V時，刷新停止；當CB2和CB3需要刷新時，所有開關停止。

4.5 關斷和啟動

當RUN引腳電壓低于1.3V時， (INTV_{CC}) 線性調節器和所有由該電源供電的內部電路禁用，主控制環路也禁用。釋放RUN引腳，內部1μA電流源將其拉高，使芯片啟用。RUN引腳也可由邏輯直接驅動，但電壓不能超過6V。

輸出電壓 (V_{OUT}) 的斜率可由TRACK/SS引腳電壓控制。當TRACK/SS引腳電壓低于內部參考0.8V（或EXTREF）時，LTC7821將 (V{FB}) 電壓調節到TRACK/SS電壓，而不是參考電壓。通過在TRACK/SS引腳連接外部電容到SGND，可以編程軟啟動周期。內部10μA上拉電流對該電容充電，在TRACK/SS引腳產生電壓斜坡，輸出電壓 (V{OUT}) 從零平滑上升到最終值。或者，TRACK/SS引腳可用于使 (V{OUT}) 啟動跟蹤另一個電源的啟動。

4.6 輕載電流操作

LTC7821可進入高效的Burst Mode操作、恒定頻率脈沖跳躍模式或強制連續導通模式。將MODE/PLLIN引腳連接到低于0.6V的直流電壓（如SGND），選擇強制連續操作；連接到 (INTV_{CC}) ，選擇脈沖跳躍模式；浮空該引腳，選擇Burst Mode操作。

在Burst Mode操作中，電感中的峰值電流設置為最大感測電壓的約三分之一，即使 (I{TH}) 引腳電壓指示較低值。如果平均電感電流高于負載電流，誤差放大器輸出EA將降低 (I{TH}) 引腳電壓。當 (I_{TH}) 電壓低于0.5V時，內部睡眠信號變高，所有外部MOSFET關閉，負載電流由輸出電容提供。當輸出電壓下降到一定程度，睡眠信號變低，控制器在下一個內部振蕩器周期開啟外部MOSFET，恢復正常操作。在這種模式下，電感電流不允許反向。

在強制連續操作中，輕載或大瞬態條件下電感電流允許反向，峰值電感電流由 (I_{TH}) 引腳電壓決定。該模式下輕載效率低于Burst Mode操作，但輸出紋波較低，對音頻電路干擾較小。

當MODE/PLLIN引腳連接到 (INTV{CC}) 時，LTC7821在輕載時以PWM脈沖跳躍模式操作。在非常輕的負載下，電流比較器 (I{CMP}) 可能在幾個周期內保持觸發，迫使外部MOSFET M1和M3在相同周期內保持關閉（即跳過脈沖），電感電流不允許反向（不連續操作）。該模式與強制連續操作類似，輸出紋波和音頻噪聲較低，射頻干擾較小，低電流效率高于強制連續模式，但遠低于Burst Mode操作。

4.7 頻率選擇和鎖相環

開關頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權衡。低頻操作通過減少MOSFET開關損耗提高效率，但需要更大的電感和/或輸出電容來保持低輸出紋波電壓，同時也需要更大的BOOST電容和平衡電容（ (C{FLY}) 和 (C{MID}) ），因為刷新速率較低。LTC7821的開關頻率可通過FREQ引腳選擇。如果MODE/PLLIN引腳未由外部時鐘源驅動，FREQ引腳可將控制器的工作頻率編程為50kHz至1.7MHz。

FREQ引腳有10μA電流流出，用戶可通過連接到SGND的單個電阻編程控制器的開關頻率。

LTC7821集成了鎖相環（PLL），可將內部振蕩器與連接到MODE/PLLIN引腳的外部時鐘源同步。同步時，控制器以強制連續模式操作。PLL環路濾波器網絡集成在LTC7821內部，鎖相環能夠鎖定200kHz至1.5MHz范圍內的任何頻率。在鎖定到外部時鐘之前，頻率設置電阻應始終存在，以設置控制器的初始開關頻率。

4.8 溫度監測

當LTC7821芯片溫度達到150°C時，開關停止，TRACK/SS引腳被拉低，電荷平衡也禁用。

LTC7821可通過TEMP引腳進行熱點監測。使用PTC熱敏電阻作為電阻分壓器的下臂，將分壓器的公共點連接到TEMP引腳。當溫度超過PTC熱敏電阻的居里點時，電壓急劇增加。當TEMP引腳達到1.22V時，所有開關停止100ms。如果在100ms超時期間TEMP引腳電壓低于1.1V，TRACK/SS引腳和FAULT被釋放；如果TEMP引腳電壓保持高于1.1V，超時時間將延長，直到電壓降至1.1V以下。觸發熱點保護的溫度決定了熱敏電阻的選擇，該溫度通常是熱敏電阻在25°C時電阻的兩倍。

4.9 電源良好（PGOOD引腳）

當 (V_{FB}) 引腳電壓不在內部0.8V參考或EXTREF設置的參考值的±10%范圍內時，PGOOD引腳被拉低。當RUN引腳低于1.3V或LTC7821處于軟啟動或跟蹤階段時，PGOOD引腳也被拉低。當 (V{FB}) 引腳在參考窗口的±10%范圍內時，PGOOD引腳立即標記電源良好。但當 (V_{FB}) 超出±10%窗口時，有一個內部50μs的電源不良屏蔽時間。PGOOD引腳可通過外部電阻上拉至最高80V的電源。

4.10 故障（FAULT引腳）

在LTC7821初始上電或通過RUN引腳啟用芯片時，即使 (C{FLY}) 和/或 (C{MID}) 需要重新平衡到 (V_{IN}/2) ，FAULT引腳也不會被拉低。但在正常操作中，需要重新平衡時，FAULT引腳被拉低。另一個導致FAULT引腳變低的條件是熱關斷，可能是內部芯片溫度達到150°C或TEMP引腳電壓達到1.22V。FAULT引腳可通過外部電阻上拉至最高80V的電源。

五、應用信息

5.1 電流傳感

5.1.1 (ISNS+) 和ISNS–引腳

(ISNS+) 和 (ISNS–) 引腳是電流比較器的輸入，電流比較器的共模輸入電壓范圍為0V至36V。兩個ISNS引腳都是高阻抗輸入，漏電流小于1.2μA。在正常操作中，應注意不要讓這些引腳浮空。濾波組件應靠近LTC7821放置，感測線應緊密排列并進行Kelvin連接，以確保準確的電流感測。

5.1.2 電阻電流傳感

使用離散電阻進行電流傳感時，RSENSE根據所需輸出電流選擇。電流比較器的最大閾值為50mV，輸入共模范圍為0V至36V。通過公式 (R{SENSE}=frac{50 mV}{I{(MAX)}+frac{Delta I{L}}{2}}) 計算感測電阻值。同時，需要驗證AC電流感測紋波 (Delta V{SENSE }=Delta I{L} cdot R{SENSE }) ，以獲得良好的信噪比。對于占空比小于40%的應用，建議 (Delta V_{SENSE }) 為10mV。在高頻應用中，還需要考慮感測電阻的寄生電感。

5.1.3 電感DCR傳感

對于高負載電流應用，LTC7821可通過感測電感DCR來實現最高效率。選擇外部R1||R2 ? C1時間常數等于L/DCR時間常數，可使外部電容上的電壓等于電感DCR上的電壓乘以R2/(R1 + R2)。通過測量電感的DCR，并根據公式計算目標感測電阻值和相關組件參數，可實現準確的電流感測。

5.2 電感選擇

5.2.1 電感值計算

根據所需的輸入和輸出電壓、電感值和工作頻率 (f{osc}) ，可直接確定電感的峰峰值紋波電流。為了降低電感的磁芯損耗、輸出電容的ESR損耗和輸出電壓紋波，應選擇較低的紋波電流。對于占空比小于40%的應用，可選擇紋波電流約為 (I{OUT(MAX)}) 的40%；對于占空比大于40%的應用，可根據相關公式確定最小電感值，以確保系統的穩定性。

5.2.2 電感磁芯選擇

確定電感值后，需要選擇合適的電感磁芯。鐵氧體設計具有較低的磁芯損耗，在高開關頻率下更受歡迎。但需要注意避免磁芯飽和，因為磁芯飽和會導致電感紋波電流和輸出電壓紋波突然增加。

5.3 功率MOSFET選擇

LTC7821需要選擇四個外部功率MOSFET。由于柵極驅動電壓來自 (INTV{CC}) （通常為5.8V），因此應選擇邏輯電平閾值MOSFET。只有最上面的MOSFET需要 (BV{DSS}) 大于 (V{IN}) ，其他MOSFET M2至M4只需 (BV{DSS}) 大于 (V_{IN}/2) 。

M1和M2工作在軟開關模式，應選擇低 (Q{oss} cdot R{dsON}) 乘積的MOSFET；M3和M4的工作方式類似于傳統降壓轉換器，M3硬開關，M4零電壓開關（ZVS），應分別選擇低 ((Q{gd} cdot R{dsON})) 和 ((Q{g} cdot R{dsON})) 乘積的MOSFET。

5.4 (C_{FLY}) 和 (C