LT8471：雙路多拓撲DC/DC轉換器的卓越之選

在電子設計領域，DC/DC轉換器是實現電源轉換和管理的關鍵組件。Linear Technology的LT8471作為一款雙路多拓撲DC/DC轉換器，憑借其豐富的功能和出色的性能，在眾多應用場景中展現出強大的優勢。今天，我們就來深入了解一下這款轉換器。

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一、產品概述

LT8471包含兩個內部2A、50V開關和一個額外的500mA開關，可實現降壓和反相轉換。每個2A通道都能獨立配置為降壓、升壓、SEPIC、反激或反相轉換器，能夠從單個輸入軌生成正輸出和負輸出，非常適合許多本地電源設計。

二、產品特性

（一）強大的開關通道

• 具備雙2A和一個500mA、50V內部電源開關通道。2A主通道可配置為多種拓撲結構的DC/DC轉換器，如降壓、升壓、SEPIC、ZETA、反激或反相轉換器。500mA的Skyhook通道能高效生成升壓后的輸入電壓。

  （二）寬輸入電壓范圍

  輸入電壓范圍為2.6V至50V，能適應多種不同的電源環境。

  （三）可編程功能

• UVLO和OVLO：通過OV/UV引腳可進行可編程欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）。
• 軟啟動：每個通道的軟啟動功能都可進行編程，有效限制啟動時的電流沖擊。

  （四）頻率控制

• 固定頻率PWM，可通過RT引腳設置或同步到外部時鐘。反相開關可減少輸入紋波，提高電源的穩定性。

  （五）多種封裝形式

  提供20引腳TSSOP和28引腳QFN封裝，方便不同的設計需求。

三、應用領域

（一）信號鏈雙軌電源

為信號鏈提供穩定的雙軌電源，確保信號處理的準確性和可靠性。

（二）多種拓撲組合

可實現降壓/降壓、降壓/升壓、升壓/升壓、升壓/反相、反相/反相、降壓/反相等多種拓撲組合，滿足不同應用的電源需求。

四、工作原理

（一）主通道

兩個主通道可獨立配置為不同的DC/DC轉換器，采用恒定頻率、電流模式控制方案來提供線路和負載調節。通道1的時鐘與內部振蕩器或SYNC引腳同相，通道2的時鐘與通道1的時鐘大約相差180°，以減少瞬態開關尖峰。在每個時鐘相位開始時，SR鎖存器置位，打開內部電源開關，當電流達到由VC1/VC2電壓確定的水平時，開關關閉。誤差放大器通過外部電阻分壓器測量輸出電壓，并調節VC1/VC2電壓，從而控制輸出電流。

（二）Skyhook通道

當任一通道配置為降壓、ZETA或單電感反相轉換器時，Skyhook通道提供升壓后的電壓，為NPN功率開關提供基極電流。Skyhook是一個恒定頻率、電壓模式升壓轉換器，包含一個集成在芯片上的肖特基二極管，其輸出SHOUT被調節到比C2引腳電壓高約4.25V。如果不需要Skyhook通道，可將C3引腳接地以減少電流消耗。

（三）啟動操作

• OV/UV引腳監測：內部電壓參考監測OV/UV引腳電壓，提供精確的開啟電壓范圍，可通過外部電阻或電阻分壓器實現可編程的欠壓和過壓鎖定功能。
• 軟啟動電路：為主要通道的開關電流和Skyhook通道的占空比提供逐漸上升的過程。啟動時，外部SS電容先放電，然后內部250k電阻將SS引腳拉至約2.15V，通過連接外部電容可設置引腳的電壓上升速率。
• 頻率折返：當相應的FB引腳電壓低于某些閾值時，主通道的開關頻率會折返2、4或8倍，減少最小占空比，便于在啟動時更好地控制開關電流。

（四）熱關斷操作

當芯片溫度超過約164°C時，熱關斷電路會觸發，SR21和SR22鎖存器置位。當溫度降至約162.5°C以下時，將啟動完整的軟啟動周期，保護功率開關和外部組件。

五、設計要點

（一）輸入電源要求

• 低側配置：E引腳通常接地，C引腳切換，相應通道的VIN必須在2.6V至40V范圍內工作。
• 高側配置：C引腳連接到正直流電壓源，E引腳切換，通道的VIN引腳應比相應的C引腳至少高2.2V，以提供足夠的驅動。VIN可在高于地50V、高于相應E引腳電壓60V、高于相應C引腳電壓40V的范圍內工作。

  （二）開關配置和Skyhook調節器

• 主通道NPN功率開關可采用低側或高側配置。低側連接適用于升壓、SEPIC、反激和雙電感反相配置；高側連接適用于降壓、ZETA和單電感反相配置。
• Skyhook升壓調節器可在需要支持高側開關拓撲時提供額外的VIN電壓，其輸出SHOUT被調節到比C2引腳電壓高約4.25V。

  （三）內部欠壓鎖定

  LT8471會監測VIN1和VIN2的電源電壓，當檢測到電壓過低時，相應的功率開關會停用，軟啟動電容會放電。當電壓恢復正常時，功率開關會重新啟用，軟啟動電容開始充電。

  （四）振蕩器和時鐘同步

• 內部自由運行振蕩器可設置LT8471的工作頻率，通過RT引腳到地的電阻來確定。也可將工作頻率同步到外部時鐘源，只需將數字時鐘信號輸入SYNC引腳。SYNC信號的占空比必須在35%至65%之間，頻率應在100kHz至2MHz范圍內，且不應低于自由運行振蕩器頻率的25%。

  （五）軟啟動

  通過在SS1和SS2引腳連接外部電容（通常為100nF至1μF），可限制啟動時的峰值開關電流。在關機、內部欠壓鎖定或熱鎖定時，軟啟動電容會自動放電，確保每次芯片重新激活時都能進行軟啟動。

  （六）關機

  OV/UV引腳用于啟用和禁用芯片。當OV/UV電壓低于1.215V（典型值）時，開關活動被禁用；當低于300mV時，芯片進入關機狀態，靜態電流非常低；電壓在1.215V至1.37V之間時，芯片正常工作。

  （七）輸出電壓設置

  通過在輸出和FB引腳之間連接電阻分壓器來設置輸出電壓，可根據公式 (R{A}=R{B} cdotleft(frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right)) 選擇合適的電阻值。

  （八）啟動順序

  通過將一個主通道的PG引腳連接到另一個通道的SS引腳，可實現輸出的啟動順序控制。例如，將PG1連接到SS2可使通道1的輸出在啟動時先于通道2的輸出。

  （九）功率開關占空比

  為了保持環路穩定性并向負載提供足夠的電流，內部功率開關的占空比不能達到100%。最大允許占空比由公式 (D C{MAX }=left(frac{T{P}-MIN{(OFF) TIME }}{T{P}}right) cdot 100 %) 確定，不同拓撲結構的占空比計算公式也有所不同。

  （十）電感選擇

• 一般準則：選擇具有高頻核心材料（如鐵氧體）的電感，以減少核心損耗；選擇體積較大的電感，以提高效率；電感應具有低DCR，以減少 (I^{2}R) 損耗，并能承受峰值電感電流而不飽和。
• 最小電感：要滿足提供足夠負載電流和避免次諧波振蕩的要求，不同拓撲結構的最小電感計算公式不同。
• 最大電感：過大的電感會導致電流紋波難以被電流比較器區分，從而引起占空比抖動和調節不良，可根據相應公式計算最大電感。
• 最大電流額定值：電感必須能夠承受峰值工作電流，以防止電感飽和導致效率損失。

  （十一）電容選擇

• 輸出端應使用低ESR電容，以最小化輸出紋波電壓，多層陶瓷電容是不錯的選擇。輸入去耦電容也應使用低ESR電容，并盡可能靠近LT8471放置。

  （十二）補償理論

  主通道需要進行補償以實現穩定和高效的運行，使用兩個反饋回路，其中電壓回路需要補償。通過標準的波特圖分析可分析和調整電壓反饋回路，計算DC增益、極點和零點等參數。

  （十三）二極管選擇

  建議使用肖特基二極管，其正向電壓降小、開關速度快。每個主通道需要一個外部二極管作為第二個開關，根據平均正向電流選擇合適的二極管，并考慮其寄生電容和反向泄漏電流。

  （十四）Skyhook配置要求

  Skyhook為高側配置的通道提供升壓后的VIN電壓，SHOUT輸出被調節到比C2引腳電壓高約4.25V。如果不需要Skyhook通道，可將C3引腳接地以減少VIN1的電流消耗。

  （十五）Skyhook電容和二極管選擇

• 輸出端應使用低ESR電容，以最小化電壓紋波，可根據需要調整電容值以改善穩定性。
• 可連接外部肖特基二極管以提高高負載電流時的性能，輸出電流可根據公式 (OUT cong frac{left(V{C C}+4.25 Vright) cdotleft(I{OUT 1} cdot D C{1}+I{OUT 2} cdot DC{2}right)}{beta cdot V{C C} cdot eta}) 估算。

  （十六）Skyhook電感選擇

• 選擇電感時要滿足提供足夠負載電流、避免功率開關電流過沖和保持良好環路穩定性的要求，可根據不同條件計算最小電感。
• 電感的飽和電流應不低于500mA，以避免電感飽和。

  （十七）Skyhook補償

  Skyhook內部進行補償，通過電感和輸出電容調整環路穩定性。一般情況下，使用15μH的電感和0.47μF的輸出電容可獲得良好的穩定性，可根據具體情況進行調整。

  （十八）熱考慮

  為了使LT8471能夠輸出全部功率，需要提供良好的散熱路徑?？衫肐C底部的散熱墊，通過在印刷電路板上設置多個過孔將熱量傳導到盡可能大的銅平面上。

  （十九）功率和熱計算

  功率損耗主要來自開關 (I^{2}R) 損耗、開關動態損耗、NPN基極驅動DC損耗和雜散輸入電流損耗。可根據相應公式計算功率損耗和芯片結溫。

  （二十）布局指南

• 布局時要注意減少輻射和傳導噪聲，高速開關電流路徑應盡可能短，每個通道的高速開關電流環路面積應最小化。
• 使用接地平面可防止層間耦合和整體噪聲，但開關引腳連接的平面下不應有接地平面，以減小開關引腳的雜散電容。
• 電路板布局對熱阻有顯著影響，應將暴露的封裝接地墊焊接到電路板上，并提供足夠的銅面積和多個過孔以改善散熱。

六、典型應用

文檔中給出了多個典型應用電路，如寬輸入范圍降壓轉換器與升壓轉換器、跟蹤±12V電源、寬輸入范圍±5V輸出轉換器、升壓轉換器與降壓轉換器等。這些應用電路展示了LT8471在不同場景下的性能和穩定性，為工程師的設計提供了參考。

七、總結

LT8471作為一款功能強大的雙路多拓撲DC/DC轉換器，具有豐富的特性和廣泛的應用領域。在設計過程中，需要綜合考慮輸入電源要求、開關配置、電感和電容選擇、補償等多個方面，以確保轉換器的性能和穩定性。同時，合理的布局和散熱設計也至關重要。希望通過本文的介紹，能幫助電子工程師更好地了解和應用LT8471，為電源設計帶來更多的可能性。你在使用LT8471的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。