深度解析LT8705：高性能同步4開關Buck - Boost DC/DC控制器

在電子設計領域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統的穩(wěn)定性和效率。今天，我們來深入探討Linear Technology公司的LT8705，一款高性能的同步4開關Buck - Boost DC/DC控制器。

文件下載：LT8705.pdf

一、產品概述

LT8705是一款能在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下穩(wěn)定工作的開關穩(wěn)壓器控制器。它具有集成的輸入電流、輸入電壓、輸出電流和輸出電壓反饋環(huán)路，輸入電壓范圍為2.8V（需(EXTV_{CC}>6.4V)）至80V，輸出電壓范圍為1.3V至80V，適用于大多數太陽能、汽車、電信和電池供電系統。

1.1 主要特性

• 單電感設計：允許(V{IN})高于、低于或等于調節(jié)后的(V{OUT})，極大地增強了設計的靈活性。
• 寬電壓范圍：(V{IN})范圍2.8V - 80V，(V{OUT})范圍1.3V - 80V，能適應多種不同的電源環(huán)境。
• 四N溝道MOSFET柵極驅動器：為功率開關提供強大的驅動能力。
• 同步整流：效率高達98%，有效降低功耗。
• 輸入和輸出電流監(jiān)測引腳：方便實時監(jiān)測電流情況。
• 可同步固定頻率：范圍從100kHz到400kHz，可根據實際需求進行調整。
• 集成反饋環(huán)路：包含輸入電流、輸入電壓、輸出電流和輸出電壓反饋環(huán)路，提高了系統的穩(wěn)定性和控制精度。
• 時鐘輸出：可用于監(jiān)測芯片溫度，為系統的熱管理提供依據。
• 多種封裝形式：提供38引腳（5mm × 7mm）QFN和TSSOP封裝，TSSOP封裝經過改進，適用于高壓操作。

二、電氣特性

2.1 電壓供應和調節(jié)器

• (V_{IN})工作電壓范圍：當(EXTV{CC}=0V)時，(V{IN})范圍為5.5V - 80V；當(EXTV{CC}=7.5V)時，(V{IN})范圍為2.8V - 80V。
• (V_{IN})靜態(tài)電流：不開關時，(V{EXTVCC}=0)，靜態(tài)電流為2.65 - 4.2mA；關機時，(V{SHDN}=0V)，靜態(tài)電流為0 - 1μA。
• (EXTV_{CC})切換電壓：典型值為6.4V，切換滯后為0.18V。
• (INTV_{CC})電流限制：從(INTV_{CC})和LDO33引腳組合的最大電流汲取，受輸入電壓和負載影響。
• (INTV_{CC})電壓調節(jié)：從(V{IN})或(EXTV{CC})調節(jié)，輸出電壓典型值為6.35V。
• LDO33引腳電壓：輸出電壓為3.23 - 3.35V，負載調節(jié)范圍為 - 0.25% - 1%。

2.2 開關穩(wěn)壓器控制

• 最大電流檢測閾值：在升壓模式和降壓模式下，不同型號（如LT8705E、LT8705I、LT8705H、LT8705MP）有不同的閾值。
• SHDN輸入電壓：高電平閾值為1.184 - 1.284V，低電平閾值因型號而異。
• SWEN上升閾值電壓：典型值為1.206V，閾值滯后為22mV。
• MODE引腳：可選擇強制連續(xù)模式、突發(fā)模式或不連續(xù)模式。

2.3 電壓調節(jié)器環(huán)路

• FBOUT和FBIN調節(jié)電壓：典型值分別為1.207V和1.205V，線路調節(jié)率為0.002 - 0.005%/V。
• SRVO引腳激活閾值：用于指示反饋環(huán)路的激活狀態(tài)。

2.4 電流調節(jié)環(huán)路

• IMON_IN和IMON_OUT調節(jié)電壓：典型值為1.208V，線路調節(jié)率為0.002 - 0.005%/V。
• SRVO_IIN和SRVO_IOUT激活閾值：用于指示輸入和輸出電流反饋環(huán)路的激活狀態(tài)。

2.5 NMOS柵極驅動器

• 上升和下降時間：典型值為20ns，確保快速的開關動作。
• 開關延遲時間：如TG1關到BG1開的延遲為100ns，保證開關的協調工作。

2.6 振蕩器

• 開關頻率范圍：100 - 400kHz，可通過RT引腳電阻或SYNC引腳同步。
• SYNC信號要求：高電平為1.3V，低電平為0.5V，占空比為20 - 80%。
• CLKOUT輸出：可用于同步其他設備，其占空比與芯片溫度成正比。

三、工作原理

3.1 主控制環(huán)路

LT8705是一款電流模式控制器，通過電感電流感測電阻（(R{SENSE})）在降壓或升壓模式下工作。電感電流由(V{C})引腳電壓控制，(V{C})是誤差放大器EA1 - EA4的二極管與輸出。當輸出電壓變化時，(V{C})電壓相應調整，從而控制輸出電流。

3.2 電源供應

• (INTV{CC}/EXTV{CC}/GATEV_{CC}/LDO33)電源：(INTV{CC})通常調節(jié)到6.35V，可由(V{IN})或(EXTV{CC})供電。當(EXTV{CC}>6.4V)時，由(EXTV{CC})供電；否則由(V{IN})供電。(GATEV{CC})直接為底部MOSFET驅動器供電，應連接到(INTV{CC})。LDO33引腳可提供3.3V電源，為外部組件供電。

3.3 啟動過程

• 芯片關閉狀態(tài)：當SHDN引腳電壓低于0.35V（LT8705E、LT8705I）或0.3V（LT8705H、LT8705MP）時，芯片關閉，靜態(tài)電流最小。
• 開關關閉狀態(tài)：當SHDN引腳電壓高于1.234V時，(INTV_{CC})和LDO33調節(jié)器啟用，但開關仍關閉。
• 初始化狀態(tài)：當SWEN引腳電壓高于1.206V，(INTV{CC})和(GATEV{CC})高于4.81V，LDO33引腳高于3.08V時，開關開始啟動。
• 軟啟動狀態(tài)：SS引腳放電至小于50mV后，軟啟動開始，通過逐漸增加(V_{C})電壓，實現電感電流的逐漸上升，避免輸入電源的電流沖擊。
• 正常模式：當SS引腳電壓高于1.6V且無故障條件時，進入正常工作模式。

3.4 故障條件

當出現過壓（IMON_IN或IMON_OUT > 1.61V）等故障時，CLKOUT引腳和內部開關活動停止，SS引腳充電至1.6V以上。故障消除后，SS引腳緩慢放電至50mV，然后重新進入軟啟動狀態(tài)。

3.5 功率開關控制

• 降壓區(qū)域（(V{IN} gg V{OUT})）：開關M3始終關閉，開關M4在突發(fā)模式或不連續(xù)模式下檢測到反向電流時關閉。同步開關M2首先開啟，電感電流由放大器A5感測，與參考電壓比較后控制開關M2和M1的交替工作。
• 降壓 - 升壓區(qū)域（(V{IN} cong V{OUT})）：控制器根據開關狀態(tài)在降壓和升壓模式之間切換。
• 升壓區(qū)域（(V{IN} ll V{OUT})）：開關M1始終開啟，開關M2始終關閉。開關M3首先開啟，電感電流由放大器A5感測，與參考電壓比較后控制開關M3和M4的交替工作。

3.6 輕負載電流操作

• 不連續(xù)模式：檢測到電感中的反向電流時，同步開關M4關閉，防止電流從輸出端流向輸入端。
• 突發(fā)模式：通過設置(V_{C})閾值，在輕負載時抑制開關活動，提高效率。
• 強制連續(xù)模式：允許電感電流反向流動，在軟啟動期間強制進入不連續(xù)模式，防止電流從輸出端流向輸入端。

3.7 電壓調節(jié)環(huán)路

• 輸出電壓調節(jié)：通過FBOUT引腳接收輸出電壓反饋信號，與內部參考電壓比較，調整(V_{C})電壓，實現輸出電壓的穩(wěn)定調節(jié)。
• 輸入電壓調節(jié)：通過FBIN引腳接收輸入電壓反饋信號，當輸入電壓過低時，降低(V_{C})電壓，減少輸入電流。

3.8 電流監(jiān)測和調節(jié)

• 輸入電流監(jiān)測：通過CSPIN和CSNIN引腳感測輸入電流，將其轉換為與輸入電流成正比的電壓(V_{IMON_IN})。
• 輸出電流監(jiān)測：通過CSPOUT和CSNOUT引腳感測輸出電流，將其轉換為與輸出電流成正比的電壓(V_{IMON_OUT})。
• 電流限制：當(V_{IMONIN})或(V{IMONOUT})超過1.208V時，降低(V{C})電壓，限制輸入和輸出電流。

3.9 SRVO引腳

QFN封裝的LT8705具有四個開漏SRVO引腳（SRVO_FBIN、SRVO_FBOUT、SRVO_IIN、SRVO_IOUT），可用于指示相應反饋環(huán)路的激活狀態(tài)。

3.10 CLKOUT和溫度傳感

CLKOUT引腳以LT8705的內部時鐘頻率切換，可用于同步其他設備。其占空比與芯片溫度成正比，可用于監(jiān)測芯片的熱狀態(tài)。

四、應用信息

4.1 工作頻率選擇

• 內部振蕩器：通過RT引腳電阻設置自由運行頻率，計算公式為(f{OSC}=left(frac{43,750}{R{T}+1}right)kHz)。
• SYNC引腳同步：可將工作頻率同步到外部時鐘源，SYNC信號的占空比應在20 - 80%之間，頻率應在100 - 400kHz范圍內。
• CLKOUT引腳同步：CLKOUT引腳可用于同步其他LT8705調節(jié)器，實現約180°的相位差。

4.2 電感電流感測和斜率補償

• 電感電流感測：通過CSP和CSN引腳感測電感電流，在升壓區(qū)域感測峰值電流，在降壓區(qū)域感測谷值電流。
• 斜率補償：內部斜率補償電路通過在升壓區(qū)域增加補償斜坡，在降壓區(qū)域減去斜坡，防止高占空比下的次諧波振蕩。

4.3 (R_{SENSE})選擇和最大電流

• 升壓區(qū)域：根據最大輸出電流和電感紋波電流，計算最大允許的(R_{SENSE})電阻值。
• 降壓區(qū)域：根據最小占空比和電感紋波電流，計算最大允許的(R_{SENSE})電阻值。
• 最終(R_{SENSE})值：選擇小于升壓和降壓區(qū)域最大允許值的(R_{SENSE})電阻，并留30%以上的余量。

4.4 電感選擇

• 提供足夠的負載電流：在升壓區(qū)域，選擇合適的電感值，以確保在低(V_{IN})電壓下提供足夠的負載電流。
• 避免次諧波振蕩：選擇電感值大于防止次諧波振蕩所需的最小值。
• 最大電流額定值：選擇電感的額定電流大于其峰值工作電流，防止電感飽和。

4.5 功率MOSFET選擇和效率考慮

• 參數選擇：選擇具有合適擊穿電壓、閾值電壓、導通電阻、反向傳輸電容和最大電流的N溝道功率MOSFET。
• 功率耗散：考慮MOSFET的功率耗散，避免過熱。可通過并聯多個MOSFET降低單個器件的功率耗散，但要注意并聯電容對開關速度的影響。
• 開關M1：功率耗散主要來自導通時的(I^{2}R)損耗和開關過程中的功率損耗。
• 開關M2：在降壓區(qū)域，(I^{2}R)損耗占主導。
• 開關M3：在升壓和降壓 - 升壓區(qū)域，功率耗散來自(I^{2}R)損耗和開關功率損耗。
• 開關M4：在升壓區(qū)域，(I^{2}R)損耗占主導。
• 柵極電阻：在某些情況下，可在NMOS柵極引腳和LT8705的柵極驅動器引腳之間添加1 - 10Ω的電阻，減少開關節(jié)點的振鈴，但要注意電阻過大對性能的影響。

4.6 (C{IN})和(C{OUT})選擇

• 輸入電容：選擇具有低ESR和足夠電容的電容，以抑制輸入電壓紋波。在降壓區(qū)域，輸入電流不連續(xù)，需確保電容網絡能處理最大RMS電流。
• 輸出電容：選擇具有低ESR和足夠電容的電容，以減少輸出電壓紋波。考慮ESR和電容對輸出紋波的影響。

4.7 肖特基二極管（D1、D2）選擇

選擇具有低反向泄漏電流和合適反向電壓額定值的肖特基二極管，以減少反向恢復電流，提高轉換器效率。

4.8 頂部MOSFET驅動器電源

• 自舉電容：選擇合適的自舉電容，存儲足夠的電荷，為頂部MOSFET驅動器提供穩(wěn)定的電源。
• 升壓二極管：推薦使用硅二極管，確保其反向擊穿電壓高于(V{IN(MAX)})和(V{OUT(MAX)})，并具有低反向泄漏電流。

4.9 輸出電壓設置

通過外部反饋電阻分壓器設置輸出電壓，計算公式為(V{OUT}=1.207V cdotleft(1+frac{R{FBOUT1}}{R_{FBOUT2}}right))。

4.10 輸入電壓調節(jié)或欠壓鎖定

通過連接電阻分壓器到FBIN引腳，可實現輸入電壓調節(jié)或欠壓鎖定功能。

4.11 輸入/輸出電流監(jiān)測和限制

• 電流監(jiān)測：通過CSPIN/CSNIN和CSPOUT/CSNOUT引腳感測輸入和輸出電流，將其轉換為與電流成正比的電壓。
• 電流限制：通過設置(R_{IMONIN})和(R{IMON_OUT})電阻，實現輸入和輸出電流的限制。
• 過流故障：當(IMON_IN)或(IMON_OUT)超過1.61V時，觸發(fā)故障，停止開關活動。

4.12 (INTV{CC})調節(jié)器和(EXTV{CC})連接

• (INTV_{CC})調節(jié)器：由(V{IN})或(EXTV{CC})供電，自動根據(EXTV_{CC})電壓選擇。
• (EXTV_{CC})連接：可選擇將(EXTV{CC})接地、連接到(V{OUT})或外部電源，以提高效率。

4.13 環(huán)路補償

選擇合適的(V{C})電阻和電容，以確保控制環(huán)路的穩(wěn)定性。通常，(V{C})串聯電容為3.3nF，并聯電容為其1/10，串聯電阻為20k。

4.14 LDO33引腳調節(jié)器

LDO33引腳可提供3.3V電源，為外部組件供電。輸入電源為(INTV_{CC})，具有過流保護和欠壓鎖定功能。

4.15 電壓鎖定

LT8705包含多個電壓檢測器，確保芯片在正常工作條件下運行。可通過SHDN、SWEN和FBIN引腳實現可配置的欠壓鎖定功能。

4.16 電感電流感測濾波

在某些應用中，可通過添加RC網絡對電感電流感測信號進行濾波，減少開關噪聲的影響。

4.17 結溫測量

通過測量CLKOUT信號的占空比，可近似計算芯片的結溫，計算公式為(T{J} cong frac{DC{CLKOUT}-35.9%}{0.329%})。

4.18 熱關斷

當芯片結溫達到約165°C時，進入熱關斷