LTC3870：多相降壓從控制器的卓越之選

在電子工程領(lǐng)域，對于高功率分布式電源系統(tǒng)、電信系統(tǒng)以及工業(yè)應(yīng)用等場景，如何高效、穩(wěn)定地提供大電流輸出是一個關(guān)鍵問題。Linear Technology公司的LTC3870多相降壓從控制器，為解決這一問題提供了出色的解決方案。

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一、LTC3870的特性亮點

（一）強大的兼容性與擴展性

LTC3870作為LTC3880系列的相位擴展器，能夠與LTC3880/3880 - 1、LTC3883/3883 - 1、LTC3886、LTC3887等主控制器完美配合。并且，它支持多芯片級聯(lián)，可滿足非常大電流的應(yīng)用需求，在高功率場景下表現(xiàn)卓越。

（二）寬范圍的工作參數(shù)

• 輸入電壓范圍：支持4.5V至60V的寬輸入電壓范圍（(V_{IN})），適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 輸出電壓范圍：輸出電壓范圍為0.5V至14V，能夠滿足不同負載的電壓需求。
• 同步頻率范圍：同步頻率范圍從100kHz到1MHz，可靈活調(diào)整開關(guān)頻率，以平衡效率和組件尺寸。

（三）靈活的可編程特性

• 工作模式：可通過引腳編程選擇CCM（連續(xù)導通模式）或DCM（不連續(xù)導通模式），滿足不同應(yīng)用場景下對效率和輸出紋波的要求。
• 相移控制：引腳可編程實現(xiàn)相移控制，優(yōu)化多相操作時的電流分配。

（四）集成的強大驅(qū)動

內(nèi)部集成了強大的N溝道MOSFET柵極驅(qū)動器，能夠有效驅(qū)動外部MOSFET，減少外部元件數(shù)量，簡化電路設(shè)計。

（五）小巧的封裝形式

采用28引腳（4mm × 5mm）QFN封裝，體積小巧，節(jié)省電路板空間，適用于對空間要求較高的應(yīng)用。

二、電氣特性解析

（一）輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為4.5V至60V，輸出電壓范圍為0.5V至14V，這使得LTC3870能夠適應(yīng)多種電源和負載條件。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的電源和負載要求來選擇合適的輸入輸出電壓。

（二）電源電流

在不同的工作狀態(tài)下，LTC3870的電源電流有所不同。當(V{RUN0})、(V{RUN1}=0V)時，輸入電壓供應(yīng)電流為1.1mA；在正常工作狀態(tài)下（(V{RUN0})、(V{RUN1}=3.3V)，且TG和BG上無電容），電流為2.6mA。

（三）欠壓鎖定閾值

當(V{IN}>4.2V)時，欠壓鎖定閾值（(V{UVLO})）在(V_{INTVCC})下降和上升時分別為3.7V和4.0V，確保在電源電壓不穩(wěn)定時，芯片能夠可靠地鎖定或解鎖。

（四）控制環(huán)路參數(shù)

電流檢測引腳（(I{ISENSE0 +})、(I{ISENSE1 +})、(I{ISENSE0 –})、(I{ISENSE1 –})）的電流在(V{ISENSE0,1 +}=3.3V)時，典型值為±0.1μA，最大值為±1μA。最大電流檢測閾值分為高范圍和低范圍，分別對應(yīng)不同的(I{TH})電壓和(I_{LIM})設(shè)置。

（五）柵極驅(qū)動器參數(shù)

TG和BG的上拉和下拉導通電阻分別為2.5Ω、1.5Ω、2.4Ω和1.1Ω，上升和下降時間在負載電容為3300pF時約為30ns，上下柵極之間的延遲時間也約為30ns，最小導通時間約為90ns。

（六）內(nèi)部(V_{CC})調(diào)節(jié)器

內(nèi)部(V{CC})電壓在不同條件下保持穩(wěn)定。當無負載且(6.0V < V{IN} < 60V)、(V{EXTVCC}=0V)時，(V{INTVCC})為4.85V至5.35V；當(V_{EXTVCC}=8.5V)時，同樣保持在該范圍內(nèi)。負載調(diào)節(jié)率在不同負載電流下也能滿足要求。

（七）振蕩器和鎖相環(huán)

振蕩器同步范圍為100kHz至1000kHz，同步輸入閾值在下降和上升時分別為0.4V和2.0V。標稱頻率在(V_{FREQ}=1.0V)時為500kHz，F(xiàn)REQ設(shè)置電流為9μA至11μA。SYNC與通道0和通道1的相位關(guān)系可通過PHASMD引腳進行設(shè)置。

（八）數(shù)字輸入?yún)?shù)

數(shù)字輸入引腳（RUN0/RUN1、MODE0/MODE1、FAULT0 / FAULT1）的輸入高閾值電壓為2.0V，輸入低閾值電壓為1.4V。

三、典型性能特性

（一）效率與負載電流關(guān)系

從效率與負載電流的曲線可以看出，在不同的輸出電壓和開關(guān)頻率下，LTC3870在CCM和DCM模式下的效率表現(xiàn)不同。一般來說，在輕負載時，DCM模式的效率較高；而在重負載時，CCM模式的效率更優(yōu)。

（二）負載階躍響應(yīng)

在4相操作中，LTC3870與LTC3880配合，能夠快速響應(yīng)負載的階躍變化，保持輸出電壓的穩(wěn)定。無論是在不連續(xù)導通模式還是強制連續(xù)模式下，都能提供良好的動態(tài)性能。

（三）啟動到預偏置輸出

在啟動到預偏置輸出的過程中，LTC3870能夠在不放電輸出電容的情況下啟動，通過配置為DCM模式可以實現(xiàn)這一功能。

（四）電流檢測閾值與(I_{TH})電壓關(guān)系

電流檢測閾值與(I{TH})電壓呈線性關(guān)系，不同的電流范圍（高范圍和低范圍）對應(yīng)不同的斜率。通過設(shè)置(I{LIM})引腳，可以選擇合適的電流范圍。

（五）(INTV_{CC})線性調(diào)節(jié)

(INTV_{CC})電壓在不同輸入電壓下保持相對穩(wěn)定，線性調(diào)節(jié)率在一定范圍內(nèi)滿足要求。

（六）直流輸出電流匹配

LTC3870與LTC3880之間的直流輸出電流匹配良好，能夠?qū)崿F(xiàn)均衡的負載分配。

（七）負載瞬態(tài)時的動態(tài)電流共享

在4相操作的負載瞬態(tài)過程中，LTC3870能夠與主控制器協(xié)同工作，實現(xiàn)動態(tài)電流共享，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（八）靜態(tài)電流與輸入電壓關(guān)系

在沒有(EXTV_{CC})的情況下，靜態(tài)電流隨著輸入電壓的變化而變化。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)輸入電壓和負載情況來評估功耗。

四、引腳功能詳解

（一）MODE0/MODE1

用于控制DCM/CCM模式。當引腳為邏輯高電平時，通道0/通道1工作在強制連續(xù)模式；默認情況下，內(nèi)部有500kΩ下拉電阻，通道工作在不連續(xù)模式。

（二）ISENSE0+/ISENSE1+和ISENSE0?/ISENSE1?

分別為電流檢測比較器的正、負輸入，通常連接到DCR傳感網(wǎng)絡(luò)或電流傳感電阻的相應(yīng)節(jié)點。

（三）RUN0/RUN1

使能輸入引腳，邏輯高電平使能相應(yīng)通道。在多相操作中，連接到主控制器的RUN引腳。

（四）(I{TH 0} / I{TH 1})

電流控制閾值引腳，每個通道的電流比較器跳閘閾值隨其(I{TH})電壓增加而增加。在多相操作中，連接到主控制器的(I{TH})引腳以實現(xiàn)電流共享。

（五）ILIM

用于編程電流比較器的感測電壓范圍?？蓪⑵溥B接到SGND或(INTV _{CC})，選擇每個電流比較器的最大電流檢測閾值。

（六）SYNC

外部時鐘同步輸入引腳。如果該引腳有外部時鐘，開關(guān)頻率將同步到外部時鐘的下降沿。在多相操作中，連接到主控制器的SYNC引腳進行頻率同步。

（七）PHASMD

相位設(shè)置引腳，可連接到SGND、(INTV {CC})或從(INTV {CC})到SGND的電阻分壓器，確定外部時鐘與內(nèi)部控制器之間的相對相位。

（八）TG0/TG1

頂部柵極驅(qū)動器輸出，輸出電壓擺幅等于(INTV _{CC})疊加在開關(guān)節(jié)點電壓上。

（九）SW0/SW1

開關(guān)節(jié)點連接到電感，電壓擺動范圍從肖特基二極管（外部）電壓降低于地到(V_{IN})。

（十）BOOST0/BOOST1

升壓浮動驅(qū)動器電源，自舉電容的(+)端連接到這些引腳，電壓擺動范圍從(INTV {CC})以下的二極管電壓降上升到(V{IN}+INTV_{CC})。

（十一）BG0/BG1

底部柵極驅(qū)動器輸出，驅(qū)動底部N溝道MOSFET的柵極，電壓范圍在PGND和(INTV _{CC})之間。

（十二）(INTV _{CC})

內(nèi)部調(diào)節(jié)器5V輸出，為內(nèi)部控制電路供電。需用至少4.7μF的低ESR鉭電容或陶瓷電容旁路到PGND。

（十三）(EXTV _{CC})

外部電源輸入到連接到(INTV {CC})的內(nèi)部LDO。當(EXTV {CC})高于4.8V且(V{IN})高于6.5V時，該LDO為(INTV {CC})供電。

（十四）PGND

功率接地引腳，應(yīng)緊密連接到底部N溝道MOSFET的源極和(C_{IN})的(–)端。

（十五）(V_{IN })

主輸入電源，需用0.1μF至1μF的電容旁路到PGND。

（十六）FAULT0/FAULT1

故障輸入引腳，連接到主芯片的GPIO引腳，響應(yīng)主控制器的故障信號。當引腳為低電平時，相應(yīng)通道的TG和BG引腳被拉低。

（十七）FREQ

頻率設(shè)置引腳，有10μA的精確電流流出。通過連接到地的電阻設(shè)置電壓，從而編程頻率。

（十八）SGND

信號接地，所有小信號和補償組件應(yīng)連接到該接地，最終連接到PGND。

五、工作原理剖析

（一）主控制環(huán)路

LTC3870是一個恒定頻率、電流模式的降壓從控制器，與LTC3880系列主控制器并行工作。在正常操作中，每個頂部MOSFET在該通道的時鐘設(shè)置RS鎖存器時導通，在主電流比較器ICMP重置RS鎖存器時關(guān)斷。ICMP重置RS鎖存器的峰值電感電流由(I{TH})引腳的電壓控制，該電壓直接連接到主控制器的相應(yīng)(I{TH})引腳。當負載電流增加時，主控制器驅(qū)動并增加(I_{TH})電壓，從而使相應(yīng)從通道的峰值電流增加，直到平均電感電流與新的負載電流匹配。在頂部MOSFET關(guān)斷后，底部MOSFET在連續(xù)導通模式（CCM）下一直導通到下一個周期開始，在不連續(xù)導通模式（DCM）下直到電感電流開始反向。需要注意的是，LTC3870從控制器不調(diào)節(jié)輸出電壓，而是調(diào)節(jié)每個通道的電流以與主控制器實現(xiàn)電流共享，輸出電壓調(diào)節(jié)通過主控制器的電壓反饋環(huán)路實現(xiàn)。

（二）(INTV {CC} / EXTV{CC})電源

頂部和底部MOSFET驅(qū)動器以及大多數(shù)其他內(nèi)部電路的電源來自(INTV {CC})引腳。通常，內(nèi)部5.0V線性調(diào)節(jié)器從(V{IN})為(INTV {CC})供電。在高(V{IN})應(yīng)用中，如果有高效的外部電壓源可用于(EXTV {CC})引腳，則另一個內(nèi)部5.0V線性調(diào)節(jié)器被啟用，從(EXTV {CC})為(INTV {CC})供電。要啟用由(EXTV {CC})引腳驅(qū)動的線性調(diào)節(jié)器，(V{IN})必須高于6.5V，且(EXTV {CC})引腳電壓必須高于4.8V，同時(EXTV {CC})引腳電壓不得超過14V。每個頂部MOSFET驅(qū)動器由浮動自舉電容(C{B})偏置，該電容通常在頂部MOSFET關(guān)斷時通過外部二極管在每個關(guān)斷周期內(nèi)充電。如果輸入電壓(V{IN})下降到接近(V{OUT})的電壓，環(huán)路可能進入降壓模式，并試圖連續(xù)導通頂部MOSFET。降壓檢測器檢測到這種情況，并每三個周期強制頂部MOSFET關(guān)斷約十二分之一的時鐘周期加100ns，以允許(C{B})充電。不過，建議在降壓過渡期間有負載存在或IC以低頻運行，以確保(C{B})充電。

（三）啟動和關(guān)斷

LTC3870的兩個通道可以使用RUN0和RUN1引腳獨立啟動和關(guān)斷。將這些引腳中的任何一個拉低到1.4V以下會關(guān)閉該通道的控制電路，在關(guān)斷期間，TG和BG都被拉低以關(guān)閉外部功率MOSFET。將這些引腳中的任何一個拉高到2V以上會啟用相應(yīng)通道和內(nèi)部電路。在啟動期間，RUN0/RUN1引腳會被主動拉低，直到(INTV {CC})電壓超過4V的欠壓鎖定閾值。對于多相并行操作，RUN0/RUN1引腳必須連接并由主控制器的RUN引腳驅(qū)動，且這些引腳的電壓不得超過絕對最大額定值6V。每個通道的輸出電壓(V{OUT})的啟動由主控制器控制和編程。在RUN引腳釋放后，主控制器根據(jù)編程的延遲時間和上升時間驅(qū)動輸出，從控制器LTC3870在啟動期間只需跟隨主控制器為輸出提供等效電流。

（四）輕負載電流操作

LTC3870可以設(shè)置為在不連續(xù)導通模式（DCM）或強制連續(xù)導通模式（CCM）下運行。要選擇強制連續(xù)模式，將MODE引腳連接到高于2V的直流電壓（如(INTV {CC})）；要選擇不連續(xù)導通模式，將MODE引腳連接到低于1.4V的直流電壓（如SGND）。在強制連續(xù)操作中，電感電流在輕負載或大瞬態(tài)條件下允許反向，峰值電感電流由(I{TH})引腳的電壓決定。在這種模式下，輕負載時的效率低于不連續(xù)模式，但連續(xù)模式具有輸出紋波低和對音頻電路干擾小的優(yōu)點。當MODE引腳連接到SGND時，LTC3870在輕負載時工作在不連續(xù)模式。在非常輕的負載下，電流比較器ICMP可能會在幾個周期內(nèi)保持跳閘狀態(tài)，并迫使外部頂部MOSFET在相同數(shù)量的周期內(nèi)保持關(guān)斷（即跳脈沖）。這種模式提供了比強制連續(xù)模式更高的輕負載效率，并且電感電流不允許反向。MODE0/ MODE1引腳內(nèi)部連接有500k下拉電阻，如果這些引腳浮空，兩個通道默認工作在不連續(xù)導通模式。

（五）多芯片操作

PHASMD引腳決定了內(nèi)部通道之間以及SYNC引腳上的外部時鐘信號之間的相對相位。根據(jù)PHASMD引腳的不同連接方式，通道0和通道1的相位會發(fā)生相應(yīng)變化。SYNC引腳用于同步主從控制器之間的開關(guān)頻率。通過多相操作，輸入電容的ESR要求和效率損失可以顯著降低，因為從輸入電容汲取的峰值電流有效地被使用的相數(shù)除，并且功率損耗與RMS電流的平方成正比。例如，兩相單輸出電壓實現(xiàn)可以將輸入路徑功率損耗降低75%，并大幅降低輸入電容的所需RMS電流額定值。

（六）單輸出多相操作

LTC3870設(shè)計用于與主控制器組成多相轉(zhuǎn)換器，具體連接方式如下：

• 將并聯(lián)通道的所有(I_{TH})引腳連接在一起，以實現(xiàn)主從之間的電流共享。需要注意的是，從控制器的(LIM)設(shè)置必須與主控制器中的MFR_PWM_MODE電流范圍設(shè)置相匹配。
• 將主從之間的所有SYNC引腳連接在一起，以實現(xiàn)相同的開關(guān)頻率同步；必須將其中一個主控制器編程為主設(shè)備，以在SYNC引腳上生成時鐘信號。
• 將并聯(lián)通道的所有RUN引腳連接在一起，以實現(xiàn)啟動和關(guān)斷序列。
• 將主控制器的GPIO引腳連接到從控制器的FAULT引腳，并將主GPIO編程為故障共享，以實現(xiàn)故障保護。

（七）電感電流檢測

與LTC3880/LTC3883一樣，LTC3870可以使用電感DCR或RSENSE來檢測電感電流。電感DCR電流檢測提供了一種無損的檢測瞬時電流的方法，因此對于