LT8709：負(fù)輸入同步多拓?fù)?a href="http://www.3532n.com/tags/dc/dc/" target="_blank">DC/DC控制器的深度解析

在電子工程師的設(shè)計(jì)工作中，DC/DC控制器是一個(gè)關(guān)鍵的組件，它直接影響著電源系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。今天，我們就來詳細(xì)探討一下LINEAR TECHNOLOGY的LT8709負(fù)輸入同步多拓?fù)銬C/DC控制器。

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一、產(chǎn)品概述

LT8709是一款用于負(fù)到負(fù)或負(fù)到正DC/DC轉(zhuǎn)換的同步PWM控制器，具備軌到軌輸出電流監(jiān)測和控制功能，非常適合各種本地電源設(shè)計(jì)。它可以輕松配置為降壓、升壓、降壓 - 升壓和反相拓?fù)洌m用于負(fù)輸入電壓的應(yīng)用場景。

（一）主要特性

1. 寬負(fù)輸入范圍：支持 -4.5V 至 -80V 的輸入電壓，這使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。
2. 軌到軌輸出電流監(jiān)測和控制：能夠精確地監(jiān)測和控制輸出電流，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
3. 輸入電壓調(diào)節(jié)：針對高阻抗輸入，可實(shí)現(xiàn)輸入電壓的有效調(diào)節(jié)，避免輸入電源崩潰。
4. 電源良好指示：通過PG引腳提供電源良好指示，方便工程師實(shí)時(shí)了解電源狀態(tài)。
5. 多種工作模式：MODE引腳可選擇強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）或脈沖跳過/不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），以適應(yīng)不同的負(fù)載需求。
6. 高開關(guān)頻率：開關(guān)頻率最高可達(dá)750kHz，有助于減小外部組件的尺寸。
7. 可同步至外部時(shí)鐘：方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行同步，提高系統(tǒng)的整體性能。
8. 高增益EN/FBIN引腳：能夠接受緩慢變化的輸入信號，并具備可調(diào)欠壓鎖定功能。

（二）典型應(yīng)用

LT8709適用于多種應(yīng)用場景，包括高功率負(fù)輸入、負(fù)輸出電源，高功率負(fù)輸入、正輸出電源，電信設(shè)備電源以及陰極保護(hù)電源等。

二、電氣特性

（一）絕對最大額定值

了解絕對最大額定值對于正確使用LT8709至關(guān)重要。例如，GND電壓相對于 -VIN 的范圍是 -0.3V 至 80V，BIAS電壓相對于 -VIN 的范圍也是 -0.3V 至 80V 等。在設(shè)計(jì)過程中，必須確保各個(gè)引腳的電壓和電流不超過這些額定值，否則可能會導(dǎo)致器件損壞。

（二）電氣參數(shù)

文檔中詳細(xì)列出了LT8709的各項(xiàng)電氣參數(shù)，如最小工作輸入電壓、靜態(tài)電流、EN/FBIN引腳的輸入電壓閾值、SS引腳的充電電流等。這些參數(shù)是工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評估的重要依據(jù)。例如，EN/FBIN引腳的最小輸入電壓高閾值為1.7V（典型值），當(dāng)該引腳電壓高于此值時(shí)，芯片將被激活并啟動軟啟動序列。

三、工作原理

（一）概述

LT8709采用恒定頻率、電流模式控制，以提供出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。它的欠壓鎖定（UVLO）功能、軟啟動和頻率折返功能，為啟動過程提供了可控的手段。輸出電壓、輸出電流和輸入電壓都可以控制命令的峰值電流，從而滿足廣泛的應(yīng)用需求。

（二）啟動過程

1. 精確的開啟電壓：EN/FBIN引腳有兩個(gè)電壓閾值，第一個(gè)閾值用于使能芯片并允許內(nèi)部電源軌工作，第二個(gè)閾值用于激活軟啟動周期并開始開關(guān)操作。當(dāng)EN/FBIN引腳電壓超過1.7V（典型值）時(shí)，邏輯狀態(tài)將被鎖存，即使引腳電壓下降到1.3V至1.7V之間，SS引腳也不會被拉低。
2. 欠壓鎖定（UVLO）：內(nèi)部UVLO電路在GND或BIAS電壓小于4.5V（最大值）或INTVCC電壓小于4V（典型值）時(shí)，會禁用芯片。EN/FBIN引腳也可用于創(chuàng)建可配置的UVLO功能。
3. 開關(guān)電流軟啟動：軟啟動電路使開關(guān)電流逐漸上升，避免啟動時(shí)的電流沖擊。外部SS電容在啟動時(shí)會先放電，然后通過一個(gè)260k的電阻以由外部電容設(shè)定的斜率充電至約2.7V。
4. 頻率折返：當(dāng)FBY引腳電流小于56.9μA（典型值）時(shí)，頻率折返電路會降低開關(guān)頻率，以提高啟動時(shí)對電感電流的控制能力。

（三）調(diào)節(jié)模式

LT8709具有三種調(diào)節(jié)模式：

1. 輸出電壓調(diào)節(jié)：通過FBY引腳實(shí)現(xiàn)，通常使用一個(gè)外部電阻來設(shè)置目標(biāo)輸出電壓。EA1誤差放大器根據(jù)FBX電壓和參考電壓的差值來設(shè)置VC引腳的電壓，從而控制輸出電壓。
2. 輸入電壓調(diào)節(jié)：通過EN/FBIN引腳實(shí)現(xiàn)，可以使用電阻分壓器或單個(gè)電阻來設(shè)置輸入電壓調(diào)節(jié)。EA3誤差放大器根據(jù)EN/FBIN引腳電壓和1.607V參考電壓的差值來設(shè)置VC引腳的電壓，以維持輸入電壓的穩(wěn)定。
3. 輸出電流調(diào)節(jié)：通過ISP、ISN和IMON引腳實(shí)現(xiàn)。外部感測電阻RSENSE2設(shè)置轉(zhuǎn)換器的最大輸出電流，IMON引腳輸出與ISP和ISN引腳之間電壓成比例的電壓。EA2誤差放大器根據(jù)IMON引腳電壓和1.213V參考電壓的差值來設(shè)置VC引腳的電壓，以維持輸出電流的穩(wěn)定。

（四）復(fù)位條件

LT8709有三種復(fù)位情況，包括UVLO（GND或BIAS電壓小于4.5V、INTVCC電壓小于4V、EN/FBIN電壓小于1.7V）、過流（IMON電壓大于1.38V）和芯片溫度超過175°C。當(dāng)出現(xiàn)復(fù)位情況時(shí)，SS引腳將被拉低，功率開關(guān)將被強(qiáng)制關(guān)閉，直到復(fù)位條件消除后，芯片將重新開始軟啟動序列。

（五）功率開關(guān)控制

LT8709的主功率開關(guān)是外部NFET（MN），同步次級功率開關(guān)是外部PFET（MP）。兩個(gè)開關(guān)不會同時(shí)導(dǎo)通，并且有大約140ns和90ns的非重疊時(shí)間，以防止交叉導(dǎo)通。MODE引腳可以控制芯片在強(qiáng)制CCM或DCM模式下工作，在輕負(fù)載時(shí)，DCM模式可以提高效率。

（六）電源良好指示

PG引腳是一個(gè)漏極開路引腳，作為有源高電平電源良好指示。當(dāng)FBY引腳電流為 -74.9μA 或 75.4μA（約為調(diào)節(jié)電流的90%）時(shí)，電源被認(rèn)為是良好的。PG引腳有100μs的抗干擾延遲，以避免誤觸發(fā)。

（七）LDO穩(wěn)壓器

LT8709有兩個(gè)線性穩(wěn)壓器，INTVCC和INTVEE。INTVCC穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)到6.3V（典型值），為BG柵極驅(qū)動器提供電源；INTVEE穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)到比BIAS引腳電壓低6.18V（典型值），為TG柵極驅(qū)動器提供電源。兩個(gè)穩(wěn)壓器都具有過流保護(hù)功能，以防止器件損壞。

四、應(yīng)用信息

（一）不同拓?fù)涞慕M件選擇

1. 負(fù)降壓轉(zhuǎn)換器：可以將更負(fù)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較負(fù)的輸出電壓。通過一系列的設(shè)計(jì)方程，可以計(jì)算出各個(gè)組件的值，如輸入電容、輸出電容、電感、電流感測電阻等。
2. 負(fù)反相轉(zhuǎn)換器：可以將負(fù)輸入電壓轉(zhuǎn)換為正輸出電壓。同樣，根據(jù)設(shè)計(jì)方程可以確定各個(gè)組件的參數(shù)。
3. 負(fù)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器：可以在輸入電壓變化較大的情況下，提供穩(wěn)定的負(fù)輸出電壓。該拓?fù)渚哂械洼敵鲭妷杭y波和輸出斷開功能。
4. 負(fù)升壓轉(zhuǎn)換器：可以將負(fù)輸入電壓轉(zhuǎn)換為更負(fù)的輸出電壓。通過合理選擇組件，可以實(shí)現(xiàn)高效的升壓轉(zhuǎn)換。

（二）輸出電壓和輸入電壓調(diào)節(jié)

通過連接外部電阻到FBY引腳，可以設(shè)置輸出電壓。對于輸入電壓調(diào)節(jié)，可以使用電阻分壓器連接到EN/FBIN引腳，以實(shí)現(xiàn)輸入電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)或欠壓鎖定功能。

（三）輸出電流監(jiān)測和限制

LT8709具有輸出電流監(jiān)測電路，可以通過IMON引腳監(jiān)測輸出電流。通過選擇合適的RSENSE2電阻，可以限制輸出電流。當(dāng)IMON引腳電壓超過1.213V（典型值）時(shí)，會降低VC引腳電壓，從而限制電感電流。

（四）開關(guān)電流限制

外部電流感測電阻RSENSE1設(shè)置外部NFET開關(guān)的最大峰值電流。隨著占空比的增加，電流限制會通過斜率補(bǔ)償而降低。

（五）反向電流應(yīng)用

當(dāng)MODE引腳為低電平時(shí)，允許電感電流反向流動，但可能會導(dǎo)致電流從輸出端流向輸入端。為了防止輸入過壓，可以添加外部組件進(jìn)行保護(hù)。

（六）電流感測濾波

在某些應(yīng)用中，由于開關(guān)噪聲的影響，可能需要對電感電流感測信號進(jìn)行濾波。可以使用RC網(wǎng)絡(luò)對CSP/CSN和ISP/ISN引腳的信號進(jìn)行濾波。

（七）開關(guān)頻率

LT8709的開關(guān)頻率可以通過內(nèi)部振蕩器設(shè)置，也可以同步到外部時(shí)鐘源。選擇合適的開關(guān)頻率需要考慮效率和組件尺寸的平衡。

（八）電平轉(zhuǎn)換電路

為了方便外部控制，LT8709提供了電平轉(zhuǎn)換電路，可以將GND參考信號轉(zhuǎn)換為相對于 -VIN 的信號。

（九）非同步轉(zhuǎn)換器

在某些應(yīng)用中，可以用肖特基二極管代替外部PFET，以實(shí)現(xiàn)非同步轉(zhuǎn)換。此時(shí)，MODE引腳必須拉高，TG引腳必須懸空，以避免損壞TG柵極驅(qū)動器。

（十）布局指南

合理的布局對于LT8709的性能至關(guān)重要。一般來說，要優(yōu)化散熱性能，將芯片的暴露焊盤焊接到芯片接地平面；高速開關(guān)路徑要盡可能短；FBY、VC、IMON和RT組件要靠近芯片放置，遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)；旁路電容要靠近芯片引腳放置；負(fù)載要直接連接到輸出電容的正負(fù)極。

五、熱考慮

（一）散熱路徑

電路板上散熱最多的組件是功率開關(guān)、功率電感和LT8709芯片。為了保證這些組件的散熱，需要利用封裝底部的散熱墊，并通過印刷電路板上的多個(gè)過孔將熱量傳導(dǎo)到大面積的銅平面上。

（二）功率MOSFET損耗和熱計(jì)算

LT8709需要兩個(gè)外部功率MOSFET，其功率損耗包括DC和AC兩部分。通過計(jì)算MOSFET的導(dǎo)通電阻、柵極 - 漏極電荷、體二極管正向電壓等參數(shù)，可以估算出MOSFET的功率損耗。

（三）芯片功率和熱計(jì)算

LT8709芯片的功率損耗主要來自INTVCC LDO、INTVEE LDO和輸入靜態(tài)電流。根據(jù)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以計(jì)算出芯片的功率損耗，并通過熱阻和環(huán)境溫度計(jì)算出芯片的結(jié)溫。

（四）熱鎖定

當(dāng)芯片溫度達(dá)到約175°C時(shí)，芯片將進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，功率開關(guān)將關(guān)閉，軟啟動電容將放電，INTVCC和INTVEE穩(wěn)壓器的電流限制將降為0。當(dāng)芯片溫度下降約5°C時(shí)，芯片將恢復(fù)正常工作。

六、附錄

（一）功率開關(guān)占空比

為了保證環(huán)路穩(wěn)定性和提供足夠的電流給負(fù)載，外部功率NFET的占空比必須在一定范圍內(nèi)。文檔中給出了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的占空比計(jì)算公式。

（二）電感選擇

選擇合適的電感對于提高效率至關(guān)重要。電感應(yīng)具有高頻核心材料、低DCR和足夠的電流承載能力。同時(shí)，需要考慮電感的最小和最大電感值，以避免出現(xiàn)負(fù)載電流不足、次諧波振蕩和電流比較器誤觸發(fā)等問題。

（三）功率MOSFET選擇

選擇功率MOSFET時(shí)，需要考慮擊穿電壓、柵極閾值電壓、導(dǎo)通電阻、總柵極電荷、關(guān)斷延遲時(shí)間等參數(shù)。邏輯電平MOSFET是必需的，并且要確保MOSFET在合適的工作區(qū)域內(nèi)，以避免損壞。

（四）輸入和輸出電容選擇

輸入和輸出電容用于抑制電壓紋波，通常采用多個(gè)電容并聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)高電容和低ESR。文檔中給出了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下輸入和輸出電容的計(jì)算公式。

（五）補(bǔ)償調(diào)整

為了保證LT8709的穩(wěn)定和高效運(yùn)行，需要對反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。可以通過連接一個(gè)串聯(lián)電阻電容網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)可選的單個(gè)電容從VC引腳到 -VIN 來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。通過調(diào)整補(bǔ)償電阻的值，可以優(yōu)化電路的瞬態(tài)響應(yīng)。

（六）補(bǔ)償理論

LT8709的反饋環(huán)路包括一個(gè)快速電流環(huán)路和一個(gè)慢速電壓環(huán)路。通過標(biāo)準(zhǔn)的波特圖分析，可以理解和調(diào)整電壓反饋環(huán)路。文檔中給出了負(fù)降壓轉(zhuǎn)換器的等效模型和DC增益、極點(diǎn)和零點(diǎn)的計(jì)算公式。

七、典型應(yīng)用

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用案例，包括250kHz、 -16V至 -30V輸入到 -12V輸出的負(fù)降壓轉(zhuǎn)換器，200kHz、 -4.5V至 -42V輸入到5V/4A輸出的負(fù)反相轉(zhuǎn)換器等。每個(gè)案例都詳細(xì)列出了組件值、效率和功率損耗曲線以及瞬態(tài)響應(yīng)曲線，為工程師提供了實(shí)際的設(shè)計(jì)參考。

八、總結(jié)

LT8709是一款功能強(qiáng)大的負(fù)輸入同步多拓?fù)銬C/DC控制器，具有寬輸入范圍、軌到軌輸出電流監(jiān)測和控制、多種工作模式等優(yōu)點(diǎn)。通過合理選擇組件和優(yōu)化布局，可以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和參數(shù)要求，仔細(xì)設(shè)計(jì)和調(diào)試電路，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用LT8709的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。