LTC3869/LTC3869 - 2：高性能雙同步降壓開關穩壓器控制器的深度剖析

在電子設計領域，電源管理模塊的性能優劣往往直接影響著整個系統的穩定性與效率。今天，我們就來深入探討 Linear Technology 公司推出的 LTC3869/LTC3869 - 2 雙同步降壓開關穩壓器控制器，看看它究竟有哪些獨特之處。

文件下載：LTC3869.pdf

1. 產品概述

LTC3869 是一款高性能的雙同步降壓開關穩壓器控制器，能夠驅動全 N 溝道同步功率 MOSFET 級。它采用恒定頻率電流模式架構，具備高達 780kHz 的鎖相頻率，兩個控制器輸出級異相工作，有效降低了輸入電容的 ESR 帶來的功率損耗和噪聲。OPTI - LOOP? 補償技術可在寬范圍的輸出電容和 ESR 值下優化瞬態響應。其輸入電源范圍為 4V 至 38V，能涵蓋大多數電池化學類型。LTC3869 有低輪廓 4mm × 4mm 和 4mm × 5mm QFN 封裝，LTC3869 - 2 則采用 SSOP - 28 封裝，且 LTC3869 與 LTC3850 引腳兼容。

2. 關鍵特性

2.1 雙控制器優勢

雙 180° 異相控制器設計，顯著降低了所需的輸入電容和電源感應噪聲，同時實現了精確的多相電流匹配。可選擇 RSENSE 或 DCR 電流感應方式，輸出電壓精度高達 ±0.75%（0.6V 輸出時）。

2.2 頻率與效率

鎖相固定頻率范圍為 250kHz 至 780kHz，最高效率可達 95%，采用雙 N 溝道 MOSFET 同步驅動，能在寬輸入電壓范圍（4V 至 38V，最大 40V）和寬輸出電壓范圍（0.6V 至 12.5V）下穩定工作。

2.3 保護與監控功能

具備可調節的軟啟動電流斜坡或跟蹤功能、折返式輸出電流限制、輸出過壓保護以及電源良好輸出電壓監控功能。還集成了 5V 低壓差穩壓器，采用小型 28 引腳 QFN 和窄 SSOP 封裝，節省電路板空間。

3. 應用領域

LTC3869/LTC3869 - 2 適用于多種領域，如服務器系統、電信系統、工業和醫療儀器、高功率電池供電設備以及直流電源分配系統等。

4. 工作原理

4.1 主控制環路

LTC3869 是恒定頻率、電流模式降壓控制器，兩個通道以 180 度異相工作。正常工作時，每個頂部 MOSFET 在該通道的時鐘設置 RS 鎖存器時開啟，當主電流比較器 ICMP 重置 RS 鎖存器時關閉。ICMP 重置 RS 鎖存器的峰值電感電流由 ITH 引腳電壓控制，VFB 引腳接收電壓反饋信號，與內部參考電壓比較后調整 ITH 電壓，使平均電感電流匹配新的負載電流。頂部 MOSFET 關閉后，底部 MOSFET 開啟，直到電感電流開始反向或下一個周期開始。

4.2 電源供應

頂部和底部 MOSFET 驅動器及大多數內部電路的電源來自 INTVCC 引腳。當 EXTVCC 引腳懸空或電壓低于 4.7V 時，內部 5V 線性穩壓器從 VIN 提供 INTVCC 電源；當 EXTVCC 高于 4.7V 時，5V 穩壓器關閉，內部開關導通連接 EXTVCC，可從高效外部電源獲取 INTVCC 電源。

4.3 關機與啟動

兩個通道可通過 RUN1 和 RUN2 引腳獨立關機，將引腳拉低至 1.2V 以下可關閉相應通道的主控制回路。啟動時，輸出電壓由 TK/SS1 和 TK/SS2 引腳控制，通過連接外部電容到 SGND 可設置軟啟動周期，內部 1.2μA 上拉電流對電容充電，使輸出電壓平滑上升。

4.4 輕載電流操作

LTC3869 可選擇進入高效突發模式、恒頻脈沖跳躍模式或強制連續導通模式。突發模式下，電感峰值電流約為最大感應電壓的三分之一；強制連續模式下，電感電流在輕載或大瞬態條件下允許反向；脈沖跳躍模式在輕載時，電流比較器可能跳過幾個周期，電感電流不允許反向。

4.5 單輸出多相操作

通過將所有 ITH 引腳、VFB 引腳、TK/SS 引腳和 RUN 引腳連接在一起，LTC3869 可用于單輸出多相轉換器，且通道間具有出色的電流匹配性能，確保各通道熱應力均衡。

4.6 頻率選擇與鎖相環

開關頻率的選擇需在效率和元件尺寸之間進行權衡。LTC3869 可通過 FREQ 引腳選擇開關頻率，有 10μA 精確電流流出該引腳，用戶可通過連接電阻到 SGND 編程開關頻率。集成的鎖相環可將內部振蕩器與連接到 MODE/PLLIN 引腳的外部時鐘源同步，鎖相范圍為 250kHz 至 780kHz。

4.7 電源良好指示

當 VFB 引腳電壓不在 0.6V 參考電壓的 ±10% 范圍內，或 RUN 引腳低于 1.2V，或處于軟啟動或跟蹤階段時，PGOOD 引腳被拉低。內部有 20μs 電源不良屏蔽時間，VFB 恢復到參考窗口內時，PGOOD 引腳立即指示電源良好。

4.8 輸出過壓保護

過壓比較器 OV 可防止輸出過沖（>10%）及其他過壓情況，出現過壓時，頂部 MOSFET 關閉，底部 MOSFET 開啟，直至過壓情況消除。

5. 應用信息

5.1 電流限制編程

ILIM 引腳是三電平邏輯輸入，可設置控制器的最大電流限制。接地、浮空或連接到 INTVCC 時，最大電流感應閾值典型值分別為 30mV、50mV 或 75mV。75mV 設置電流限制精度最高，30mV 設置可使用低 DCR 電感或感測電阻但精度較低，50mV 設置是兩者的良好平衡。單輸出雙相應用中，建議使用 50mV 或 75mV 設置以實現最佳電流共享。

5.2 電流感測

• 低阻值電阻電流感測：通過離散電阻感測電流，根據所需輸出電流選擇 RSENSE 電阻，計算公式為 (R{SENSE }=frac{V{SENSE(MAX)}}{I{MAX}+frac{Delta I{L}}{2}})，同時需考慮 PCB 噪聲對 AC 電流感測紋波的影響，建議 ?VSENSE 電壓為 10mV。
• 電感 DCR 感測：適用于高負載電流下追求最高效率的應用。需選擇合適的外部 R1||R2 ? C1 時間常數，使其等于 L/DCR 時間常數，根據公式計算目標感測電阻值、DCR 值及相關電阻值，同時要考慮電感溫度對 DCR 的影響。

5.3 電感選擇

根據輸入和輸出電壓、電感值和工作頻率確定電感的峰 - 峰紋波電流，公式為 (RIPPLE =frac{V{OUT }}{V{IN }}left(frac{V{IN }-V{OUT }}{f{O S C} cdot L}right))。為保證紋波電流不超過指定最大值，電感應滿足 (L geq frac{V{IN }-V{OUT }}{f{OSC } cdot I{RIPPLE }} cdot frac{V{OUT }}{V{IN }})。對于占空比大于 40% 的情況，需使用 (L{MIN }>frac{V{OUT }}{f{SW } cdot I_{LOAD(MAX) }} cdot 1.4) 確定最小電感值。

5.4 功率 MOSFET 和肖特基二極管選擇

每個控制器需選擇兩個外部功率 MOSFET，頂部和底部均為 N 溝道 MOSFET。根據導通電阻 (R{DS(ON)})、米勒電容 (C{MILLER})、輸入電壓和最大輸出電流選擇 MOSFET。可選肖特基二極管可防止底部 MOSFET 體二極管導通，提高效率。

5.5 軟啟動和跟蹤

LTC3869 可通過連接電容到 TK/SS 引腳實現軟啟動，軟啟動時間計算公式為 (t{SOFTSTART }=0.6 cdot frac{C{SS}}{1.2 mu A})。也可通過電阻分壓器將其他電源的反饋電壓應用到 TK/SS 引腳實現跟蹤功能。

5.6 輸出電壓跟蹤

通過 TK/SS 引腳可實現輸出電壓的重合跟蹤或比例跟蹤。重合跟蹤需將額外的電阻分壓器連接到主通道輸出，并將中點連接到從通道的 TK/SS 引腳；比例跟蹤需使從通道的電壓分壓器比例與主通道反饋分壓器比例相同。重合跟蹤輸出調節性能更好，比例跟蹤可節省一對電阻。

5.7 INTVCC 調節器和 EXTVCC

LTC3869 內部有 5V 線性穩壓器為 INTVCC 供電，當 EXTVCC 高于 4.7V 時，可通過 P 溝道 MOSFET 連接 EXTVCC 為 INTVCC 供電。使用 EXTVCC 可提高效率，降低結溫，但需注意不要超過 6V，且 (EXTV{CC}{IN})。

最小導通時間 (t{ON(MIN)}) 約為 90ns，低占空比應用需確保 (t{ON(MIN)}{OUT}}{V{IN}(f)})，否則控制器會開始跳周期，導致輸出紋波和電流增加。

5.15 效率考慮

開關穩壓器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以 100%，LTC3869 電路的主要損耗源包括 IC (V{IN}) 電流、(INTV{CC}) 穩壓器電流、(I^{2}R) 損耗和頂部 MOSFET 過渡損耗。可通過使用 EXTVCC 從輸出派生電源為 INTVCC 供電，降低 (V_{IN}) 電流，提高效率。

5.16 瞬態響應檢查

通過觀察負載電流瞬態響應檢查調節器環路響應，負載階躍時，(V{OUT}) 會發生變化，通過 (I{TH}) 引腳可優化控制環路行為，估計相位裕度、阻尼因子和帶寬。對于負載中帶有大旁路電容的情況，需控制開關上升時間，防止輸出電壓突然下降。

5.17 PCB 布局檢查

PCB 布局時需注意：頂部 N 溝道 MOSFET 應靠近放置，信號和功率地分開，(V{FB}) 和 (I{TH}) 走線應盡量短，SENSE + 和 SENSE - 引腳應一起布線，INTVCC 去耦電容應靠近 IC，開關節點、頂部柵極節點和升壓節點應遠離敏感小信號節點，采用改良的“星形接地”技術。

6. 設計示例

以一個兩通道高電流調節器為例，假設 (V{IN }=12 ~V)（標稱），(V{IN}=20 ~V)（最大），(V{OUT1 }=1.8 ~V)，(V{OUT2 }=1.2 ~V)，(I_{MAX 1,2}=15 ~A)，(f = 400 kHz)。根據相關公式計算輸出電壓、電感值、等效感測電阻值等參數，選擇合適的元件，如電感、MOSFET、電容等，并進行功率損耗和效率分析。

7. 典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，如 2.5V、15A 和 1.8V、15A 電源、1.8V、15A 和 1.2V、15A 電源、1.2V、40A 電源等，詳細介紹了電路的元件選擇和參數設置。

8. 相關部件

文檔還列出了一些相關部件，如 LTM4630/LTM4630A、LTC3887/LTC3887 - 1、LTC3774 等，可根據具體需求進行選擇。

總之，LTC3869/LTC3869 - 2 是一款功能強大、性能卓越的雙同步降壓開關穩壓器控制器，在多種應用場景中都能發揮出色的性能。但在實際設計中，還需根據具體需求仔細選擇元件、優化布局，以確保系統的穩定性和效率。大家在使用過程中遇到任何問題，歡迎一起交流探討。