深入剖析LTC3895：高性能降壓型DC/DC控制器的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的DC/DC控制器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下Linear Technology公司的LTC3895，一款高性能的降壓型DC/DC控制器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和應(yīng)用場(chǎng)景。

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產(chǎn)品概述

LTC3895是一款高性能的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器DC/DC控制器，能夠驅(qū)動(dòng)全N溝道同步功率MOSFET級(jí)，可在高達(dá)140V的輸入電壓下工作。它采用恒定頻率電流模式架構(gòu)，鎖相頻率可達(dá)850kHz。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和豐富的功能，使其在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮出色的性能。

產(chǎn)品特性

寬輸入輸出電壓范圍

• 輸入電壓：具有4V至140V（絕對(duì)最大150V）的寬輸入電壓范圍，這使得它能夠適應(yīng)各種不同的電源環(huán)境，無(wú)論是低電壓還是高電壓的應(yīng)用場(chǎng)景都能輕松應(yīng)對(duì)。
• 輸出電壓：輸出電壓范圍為0.8V至60V，并且可以通過(guò)外部電阻進(jìn)行編程，或者通過(guò)引腳設(shè)置為固定的5V或3.3V，滿足了不同負(fù)載對(duì)電壓的需求。

低靜態(tài)電流

LTC3895的低靜態(tài)電流特性非常出色，無(wú)負(fù)載時(shí)的靜態(tài)電流僅為40μA，關(guān)機(jī)時(shí)更是低至10μA。這一特性在電池供電的系統(tǒng)中尤為重要，能夠有效延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高系統(tǒng)的續(xù)航能力。

可調(diào)門極驅(qū)動(dòng)電平

門極驅(qū)動(dòng)電壓可以在5V至10V之間進(jìn)行編程，這使得它可以使用邏輯電平或標(biāo)準(zhǔn)電平的FET，從而最大限度地提高效率。這種靈活性為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了更多的選擇。

100%占空比操作

內(nèi)部集成的電荷泵允許LTC3895在100%占空比下工作，這在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景中非常有用，例如需要連續(xù)輸出的場(chǎng)合。同時(shí)，它還無(wú)需外部自舉二極管，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

多種工作模式

LTC3895支持連續(xù)、脈沖跳躍或低紋波突發(fā)模式（Burst Mode?）操作，用戶可以根據(jù)負(fù)載情況選擇合適的工作模式，以實(shí)現(xiàn)最佳的效率和性能。

其他特性

• 具有可選擇的門極驅(qū)動(dòng)欠壓鎖定（UVLO）閾值，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 提供片上LDO或外部NMOS LDO為DRVCC供電，增加了電源的靈活性。
• 支持鎖相頻率（75kHz至850kHz）和可編程固定頻率（50kHz至900kHz），方便與其他電路進(jìn)行同步。
• 具備電源良好輸出電壓監(jiān)控功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓的狀態(tài)。
• 可編程輸入過(guò)壓鎖定功能，保護(hù)電路免受過(guò)高輸入電壓的損害。

電氣特性

輸入輸出電壓

• 輸入電壓范圍：在DRVUV = 0V的條件下，輸入電源工作電壓范圍為4V至140V。
• 輸出電壓：調(diào)節(jié)后的輸出電壓設(shè)定點(diǎn)為0.8V至60V，反饋電壓在不同條件下具有高精度的調(diào)節(jié)能力。

電流特性

• 反饋電流：反饋電流非常小，在不同的VPRG設(shè)置下，其值在±0.050μA以內(nèi)。
• 輸入直流電源電流：在不同的工作模式下，輸入直流電源電流有所不同。在脈沖跳躍或強(qiáng)制連續(xù)模式下，無(wú)負(fù)載時(shí)為2.5mA；在睡眠模式下，無(wú)負(fù)載時(shí)為40μA；關(guān)機(jī)時(shí)為10μA。

其他特性

• 跨導(dǎo)放大器gm：在ITH = 1.2V，灌/拉5A的條件下，跨導(dǎo)放大器gm為2.2mmho。
• 軟啟動(dòng)充電電流：軟啟動(dòng)充電電流為8μA至12μA。
• 最大電流檢測(cè)閾值：根據(jù)ILIM引腳的不同設(shè)置，最大電流檢測(cè)閾值有所不同，分別為50mV、75mV和100mV。

引腳功能

LTC3895共有38個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能，下面我們來(lái)介紹一些重要引腳的功能。

OVLO（引腳1）

過(guò)壓鎖定輸入引腳。當(dāng)該引腳的電壓高于1.2V時(shí)，控制器將停止開關(guān)操作。在OVLO事件期間，DRVCC和INTVCC電源將保持調(diào)節(jié)狀態(tài)。如果不使用該功能，可將該引腳連接到GND。

VPRG（引腳2）

輸出電壓控制引腳。該引腳可以通過(guò)外部反饋電阻設(shè)置調(diào)節(jié)器為可調(diào)輸出模式，或者設(shè)置為固定的5V/3.3V輸出模式。當(dāng)該引腳浮空時(shí)，輸出電壓可以通過(guò)VFB引腳上的外部電阻分壓器在0.8V至60V之間進(jìn)行編程；當(dāng)該引腳連接到INTVCC或GND時(shí)，輸出電壓將分別被編程為5V或3.3V。

SENSE+（引腳3）和SENSE–（引腳4）

差分電流比較器的輸入引腳。ITH引腳電壓和SENSE+與SENSE–引腳之間的受控偏移量，結(jié)合RSENSE設(shè)置電流跳閘閾值。

SS（引腳5）

軟啟動(dòng)輸入引腳。LTC3895將VFB電壓調(diào)節(jié)到0.8V或SS引腳電壓中的較小值。該引腳連接一個(gè)接地電容，用于設(shè)置輸出電壓上升到最終調(diào)節(jié)值的斜坡時(shí)間。同時(shí)，該引腳還用于調(diào)節(jié)器關(guān)機(jī)（REGSD）功能。

VFB（引腳6）

反饋輸入引腳。如果VPRG引腳浮空，VFB引腳接收來(lái)自輸出端外部電阻分壓器的遠(yuǎn)程感應(yīng)反饋電壓；如果VPRG引腳連接到GND或INTVCC，VFB引腳直接接收遠(yuǎn)程感應(yīng)輸出電壓。

MODE（引腳8）

模式選擇和突發(fā)鉗位調(diào)整輸入引腳。該引腳決定了LTC3895在輕負(fù)載時(shí)的工作模式。將該引腳拉到地選擇突發(fā)模式操作，突發(fā)鉗位電平默認(rèn)為VSENSE(MAX)的25%；將該引腳連接到0.5V至1.0V之間的電壓選擇突發(fā)模式操作，并將突發(fā)鉗位在10%至60%之間進(jìn)行調(diào)整；將該引腳連接到INTVCC強(qiáng)制連續(xù)電感電流操作；將該引腳連接到大于1.4V且小于INTVCC - 1.3V的電壓選擇脈沖跳躍操作。

工作原理

主控制回路

LTC3895采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu)。在正常操作期間，外部頂部MOSFET在時(shí)鐘設(shè)置RS鎖存器時(shí)導(dǎo)通，在主電流比較器ICMP重置RS鎖存器時(shí)關(guān)斷。ICMP跳閘并重置鎖存器的峰值電感電流由ITH引腳的電壓控制，ITH引腳是誤差放大器EA的輸出。誤差放大器將VFB引腳的輸出電壓反饋信號(hào)與內(nèi)部0.800V參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，VFB相對(duì)于參考電壓略有下降，導(dǎo)致EA增加ITH電壓，直到平均電感電流與新的負(fù)載電流匹配。

DRVCC / EXTVCC / INTVCC電源

頂部和底部MOSFET驅(qū)動(dòng)器的電源來(lái)自DRVCC引腳。DRVCC電源電壓可以通過(guò)設(shè)置DRVSET引腳在5V至10V之間進(jìn)行編程。有兩個(gè)獨(dú)立的LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）可以從VIN為DRVCC提供電源。內(nèi)部VIN LDO使用VIN和DRVCC引腳之間的內(nèi)部P溝道傳輸器件。為了防止在高輸入電壓應(yīng)用中芯片上的高功耗，LTC3895還包括一個(gè)NDRV LDO，它利用NDRV引腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET的柵極來(lái)為DRVCC提供電源，該MOSFET的源極連接到DRVCC，漏極連接到VIN。NDRV LDO包括一個(gè)內(nèi)部電荷泵，允許NDRV在VIN之上驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)低壓差性能。

頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器和電荷泵（CPUMP_EN引腳）

頂部MOSFET驅(qū)動(dòng)器由浮動(dòng)自舉電容CB偏置，該電容通常在每個(gè)周期中當(dāng)SW引腳變低時(shí)通過(guò)內(nèi)部開關(guān)進(jìn)行充電。如果輸入電壓下降到接近其輸出電壓，環(huán)路可能進(jìn)入降壓狀態(tài)并嘗試連續(xù)導(dǎo)通頂部MOSFET。LTC3895包括一個(gè)內(nèi)部電荷泵，允許頂部MOSFET以100%占空比連續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)CPUMP_EN引腳連接到INTVCC時(shí)，該電荷泵向CB提供電流。將CPUMP_EN引腳連接到GND將禁用電荷泵，并使降壓檢測(cè)器在每十個(gè)周期中強(qiáng)制頂部MOSFET關(guān)閉約十二分之一的時(shí)鐘周期，以使CB充電，從而實(shí)現(xiàn)99%的最大占空比。

關(guān)機(jī)和啟動(dòng)（RUN，SS引腳）

LTC3895可以使用RUN引腳進(jìn)行關(guān)機(jī)。將RUN引腳連接到低于1.12V將關(guān)閉主控制回路；將RUN引腳連接到低于0.7V將禁用控制器和大多數(shù)內(nèi)部電路，包括DRVCC和INTVCC LDO。在這種狀態(tài)下，LTC3895僅消耗10μA的靜態(tài)電流。RUN引腳沒(méi)有內(nèi)部上拉電流，因此該引腳必須外部上拉或由邏輯直接驅(qū)動(dòng)。RUN引腳可以承受高達(dá)150V（絕對(duì)最大）的電壓，因此在始終開啟的應(yīng)用中，該引腳可以方便地連接到VIN。

輕負(fù)載電流操作（突發(fā)模式操作、脈沖跳躍或強(qiáng)制連續(xù)模式）（MODE引腳）

LTC3895可以在輕負(fù)載電流時(shí)進(jìn)入高效突發(fā)模式操作、恒定頻率脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。選擇突發(fā)模式操作時(shí)，將MODE引腳連接到GND或0.5V至1.0V之間的電壓；選擇強(qiáng)制連續(xù)操作時(shí)，將MODE引腳連接到INTVCC；選擇脈沖跳躍模式時(shí)，將MODE引腳連接到大于1.4V且小于INTVCC - 1.3V的直流電壓。

頻率選擇和鎖相環(huán)（FREQ和PLLIN引腳）

開關(guān)頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作通過(guò)減少M(fèi)OSFET開關(guān)損耗來(lái)提高效率，但需要更大的電感和/或電容來(lái)保持低輸出紋波電壓。LTC3895的開關(guān)頻率可以使用FREQ引腳進(jìn)行選擇。如果PLLIN引腳沒(méi)有由外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)REQ引腳可以連接到GND、INTVCC或通過(guò)外部電阻進(jìn)行編程。LTC3895還具有鎖相環(huán)（PLL），可以將內(nèi)部振蕩器與連接到PLLIN引腳的外部時(shí)鐘源同步。

多相應(yīng)用（CLKOUT和PHASMD引腳）

LTC3895具有CLKOUT和PHASMD兩個(gè)引腳，允許在多相應(yīng)用中與其他控制器IC進(jìn)行級(jí)聯(lián)。CLKOUT引腳的時(shí)鐘輸出信號(hào)可以用于同步多相電源解決方案中的額外功率級(jí)，為單個(gè)高電流輸出或多個(gè)獨(dú)立輸出供電。PHASMD引腳用于調(diào)整CLKOUT信號(hào)的相位。

輸入電源過(guò)壓鎖定（OVLO引腳）

LTC3895實(shí)現(xiàn)了一種保護(hù)功能，當(dāng)輸入電壓上升到可編程的操作范圍以上時(shí)，禁止開關(guān)操作。通過(guò)使用從輸入電源到地的電阻分壓器，OVLO引腳可以作為精確的輸入電源電壓監(jiān)視器。當(dāng)OVLO引腳上升到1.2V以上時(shí)，開關(guān)操作將被禁用，這可以配置為將開關(guān)限制在特定的輸入電源電壓范圍內(nèi)。

輸出過(guò)壓保護(hù)

過(guò)壓比較器用于防止輸出電壓的瞬態(tài)過(guò)沖以及其他可能導(dǎo)致輸出過(guò)壓的嚴(yán)重情況。當(dāng)VFB引腳上升到其調(diào)節(jié)點(diǎn)0.800V以上10%時(shí)，頂部MOSFET將關(guān)斷，底部MOSFET將導(dǎo)通，直到過(guò)壓條件消除。

電源良好引腳

PGOOD引腳連接到內(nèi)部N溝道MOSFET的漏極開路。當(dāng)VFB引腳電壓不在0.8V參考電壓的±10%范圍內(nèi)時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，將PGOOD引腳拉低；當(dāng)RUN引腳為低電平時(shí)（關(guān)機(jī)），PGOOD引腳也將被拉低。當(dāng)VFB引腳電壓在±10%的要求范圍內(nèi)時(shí)，MOSFET關(guān)斷，該引腳可以通過(guò)外部電阻上拉到不大于6V的電源。

折返電流

當(dāng)輸出電壓下降到其標(biāo)稱水平的70%以下時(shí)，折返電流限制將被激活，逐步降低峰值電流限制，以適應(yīng)過(guò)流或短路情況的嚴(yán)重程度。在軟啟動(dòng)期間（只要VFB電壓跟上SS電壓），折返電流限制將被禁用。折返電流限制旨在在過(guò)流和短路故障條件下限制功率損耗。

調(diào)節(jié)器關(guān)機(jī)（REGSD）

在高輸入電壓應(yīng)用中，通常需要使用EXTVCC LDO來(lái)降低功耗。如果EXTVCC LDO在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)被禁用（EXTVCC低于切換閾值），可能會(huì)導(dǎo)致IC過(guò)熱（如果使用NDRV LDO，則可能導(dǎo)致外部N溝道MOSFET過(guò)熱）。LTC3895包括一個(gè)調(diào)節(jié)器關(guān)機(jī)（REGSD）功能，在這種情況下，該功能將關(guān)閉調(diào)節(jié)器，以大幅降低功耗并減少過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)用信息

電流檢測(cè)方案

LTC3895可以配置為使用DCR（電感電阻）檢測(cè)或低值電阻檢測(cè)。DCR檢測(cè)在高電流應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗梢怨?jié)省昂貴的電流檢測(cè)電阻，并且更節(jié)能。然而，電流檢測(cè)電阻為控制器提供了最準(zhǔn)確的電流限制。

電感值計(jì)算

電感值的選擇與工作頻率密切相關(guān)。較高的工作頻率允許使用較小的電感和電容值，但會(huì)降低效率。電感值還會(huì)影響紋波電流和低電流操作。合理的紋波電流設(shè)置為ΔIL = 0.3(IMAX)。

功率MOSFET選擇

需要選擇兩個(gè)外部功率MOSFET：一個(gè)用于頂部（主）開關(guān)，一個(gè)用于底部（同步）開關(guān)。選擇時(shí)需要考慮導(dǎo)通電阻RDS(ON)、米勒電容CMILLER、輸入電壓和最大輸出電流等因素。

CIN和COUT選擇

CIN的選擇通常基于最壞情況下的RMS輸入電流。在連續(xù)模式下，頂部MOSFET的源電流是一個(gè)占空比為(VOUT)/(VIN)的方波。為了防止大的電壓瞬變，需要使用一個(gè)低ESR電容，其大小應(yīng)根據(jù)最大RMS電流進(jìn)行選擇。COUT的選擇主要取決于有效串聯(lián)電阻（ESR）。輸出紋波可以通過(guò)公式ΔVOUT ≈ ΔIL(ESR + 1/(8·f·COUT))進(jìn)行近似計(jì)算。

設(shè)置輸出電壓

LTC3895的輸出電壓可以通過(guò)外部反饋電阻分壓器進(jìn)行設(shè)置。為了提高頻率響應(yīng)，可以使用一個(gè)前饋電容CFF。同時(shí)，需要注意將VFB線遠(yuǎn)離噪聲源，如電感或SW線。

RUN引腳和過(guò)壓/欠壓鎖定

RUN引腳用于啟用LTC3895。它具有1.2V的上升閾值和80mV的滯后。將RUN引腳拉到低于1.12V將關(guān)閉主控制回路；將其拉到低于0.7V將禁用控制器和大多數(shù)內(nèi)部電路。RUN引腳可以承受高達(dá)150V的電壓，因此在始終開啟的應(yīng)用中，可以方便地將其連接到VIN。RUN和OVLO引腳可以通過(guò)電阻分壓器配置為VIN電源的欠壓（UVLO）和過(guò)壓（OVLO）鎖定。

軟啟動(dòng)（SS）引腳

SS引腳用于控制Vout的啟動(dòng)。當(dāng)SS引腳的電壓小于內(nèi)部0.8V參考電壓時(shí)，LTC3895將VFB引腳電壓調(diào)節(jié)到SS引腳電壓。通過(guò)在SS引腳和地之間連接一個(gè)電容，可以實(shí)現(xiàn)外部軟啟動(dòng)功能。

DRVCC調(diào)節(jié)器（OPTI-DRIVE）

LTC3895具有三個(gè)獨(dú)立的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），可以在DRVCC引腳提供電源。DRVCC電源電壓可以通過(guò)DRVSET引腳在5V至10V之間進(jìn)行編程。在PCB布局時(shí)，需要注意將NDRV引腳遠(yuǎn)離任何開關(guān)節(jié)點(diǎn)，特別是SW、TG和BOOST。

突發(fā)鉗位編程

突發(fā)模式操作在MODE引腳電壓為0V或在0.5V至1V之間時(shí)啟用。突發(fā)鉗位可以通過(guò)MODE引腳電壓進(jìn)行編程，設(shè)置最小峰值電感電流。

故障條件

• 電流限制和電流折返：LTC3895包括電流折返功能，當(dāng)輸出短路到地時(shí)，幫助限制負(fù)載電流。
• 過(guò)壓保護(hù)（撬棒）：過(guò)壓撬棒用于在調(diào)節(jié)器輸出電壓遠(yuǎn)高于標(biāo)稱水平時(shí)熔斷系統(tǒng)輸入保險(xiǎn)絲。
• 過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)結(jié)溫超過(guò)約175°C時(shí)，過(guò)溫關(guān)機(jī)電路將關(guān)閉LTC3895。當(dāng)結(jié)溫下降到約155°C時(shí)，DRVCC LDO將重新開啟。

鎖相環(huán)和頻率同步

LTC3895具有內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL），可以將頂部MOSFET的導(dǎo)通鎖定到應(yīng)用于PLLIN引腳的外部時(shí)鐘信號(hào)的上升沿。通過(guò)使用FREQ引腳設(shè)置自由運(yùn)行頻率接近所需的同步頻率，可以實(shí)現(xiàn)快速鎖相。

最小導(dǎo)通時(shí)間考慮

最小導(dǎo)通時(shí)間tON(MIN)是LTC3895能夠?qū)敳縈OSFET的最小持續(xù)時(shí)間。在低占空比應(yīng)用中，需要注意確保tON(MIN) < VOUT/(VIN(f))，以避免控制器開始跳周期。

效率考慮

開關(guān)穩(wěn)壓器的效率等于輸出功率除以輸入功率乘以100%。LTC3895電路中的主要損耗源包括IC VIN電流、DRVCC調(diào)節(jié)器電流、I2R損耗和頂部MOSFET過(guò)渡損耗。通過(guò)分析這些損耗源，可以確定限制效率的因素，并采取相應(yīng)的措施來(lái)提高效率。

檢查瞬態(tài)響應(yīng)

可以通過(guò)觀察負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)檢查調(diào)節(jié)器環(huán)路響應(yīng)。開關(guān)穩(wěn)壓器需要幾個(gè)周期來(lái)響應(yīng)DC（電阻性）負(fù)載電流的階躍變化。在負(fù)載階躍發(fā)生時(shí)，VOUT會(huì)發(fā)生一個(gè)等于ΔILOAD