LT8616：高效雙路同步降壓調節器的設計與應用

引言

在電子設計領域，電源管理是一個關鍵環節。一款高性能的降壓調節器能夠為系統提供穩定的電源，提高系統的可靠性和效率。今天，我們要介紹的是 Linear Technology 公司的 LT8616 雙路 42V 同步單片降壓調節器，它以其低靜態電流、寬輸入電壓范圍等特性，在汽車、工業等眾多領域有著廣泛的應用前景。

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LT8616 概述

關鍵特性

• 寬輸入電壓范圍：支持 3.4V 至 42V 的輸入電壓，能夠適應多種電源環境。
• 雙路獨立輸出：包含 2.5A 和 1.5A 的降壓調節器，且具有獨立的輸入，可滿足不同負載的需求。
• 快速最小開關導通時間：僅 35ns 的最小開關導通時間，能夠實現高效的功率轉換。
• 超低靜態電流：在 Burst Mode? 操作下，靜態電流低至 6.5μA，在調節 (12V{IN}) 至 (5V{OUT}) 和 (3.3V_{OUT}) 輸出時，輸出紋波小于 15mV。
• 180° 異相開關：減少了開關噪聲和輸入電流紋波。
• 可調節開關頻率：開關頻率可在 200kHz 至 3MHz 范圍內調節，并且可同步至 250kHz 至 3MHz 的外部時鐘。
• 準確的使能引腳閾值：使能引腳具有準確的 1V 閾值，可用于編程欠壓鎖定。
• 內部補償：采用內部補償和峰值電流模式拓撲，允許使用小電感，實現快速瞬態響應和良好的環路穩定性。
• 輸出軟啟動和跟蹤：支持輸出軟啟動和跟蹤功能，可防止啟動時的電流沖擊。

應用領域

• 汽車和工業電源：為汽車電子系統和工業設備提供穩定的電源。
• 通用降壓應用：適用于各種需要降壓轉換的場合。

電氣特性

靜態電流

在不同的工作模式和條件下，LT8616 的靜態電流表現出色。例如，當 EN/UV1 = EN/UV2 = 0V 時，從 (V{IN1}) 吸取的電流僅為 1.7μA；在 Burst Mode 下，不開關時從 (V{IN1}) 吸取的電流為 3.0 - 12.0μA。

反饋電壓

反饋電壓（FB Voltage）在不同的輸入電壓和負載條件下保持穩定，典型值為 790mV，且具有良好的線性調節率。

開關特性

SW1 和 SW2 的最小導通時間在負載為 0.25A 的脈沖跳過模式下，典型值為 35ns，能夠實現快速的開關動作。同時，開關的導通電阻和電流限制也確保了系統的安全和穩定運行。

引腳功能詳解

BIAS 引腳

當連接到高于 3.1V 的電壓時，為內部調節器供電。對于 3.3V 及以上的輸出電壓，應將該引腳連接到相應的 (V{OUT})。若連接到非 (V{OUT1}) 或 (V_{OUT2}) 的電源，需連接一個 1μF 的旁路電容；若不使用，則接地。

BOOST1 和 BOOST2 引腳

用于為內部頂部功率開關提供高于輸入電壓的驅動電壓。應在 BOOST 引腳和相應的 SW 引腳之間盡可能靠近 IC 放置 0.1μF 的電容，以確保良好的性能。

EN/UV1 和 EN/UV2 引腳

用于獨立禁用或啟用每個通道。當引腳拉低時，相應通道關閉；拉高時，通道開啟。滯回閾值電壓上升時為 1.03V，下降時為 0.98V。若不使用關機功能，可將其連接到 (V{IN})；也可使用外部電阻分壓器從 (V{IN}) 編程閾值，以在低于特定電壓時禁用通道。

FB1 和 FB2 引腳

被調節到 0.790V。應將反饋電阻分壓器的抽頭連接到這些引腳，并在 FB 引腳和 (V_{OUT}) 節點之間連接相位超前電容，典型值為 1.5pF 至 10pF。

GND 引腳

GND 引腳和外露焊盤必須連接到輸入電容的負端，并焊接到 PCB 上，以降低熱阻。

(INTV_{CC}) 引腳

為內部柵極驅動器和控制電路提供電源。若 (V{BIAS} > 3.1V)，電流將從 BIAS 引腳獲取；否則，將從 (V{IN1}) 吸取電流。該引腳需使用至少 1μF 的低 ESR 陶瓷電容進行去耦，且不要用外部電路加載該引腳。

NC 引腳

無內部連接。可將其浮空以提高容錯能力，或連接到地以方便 PCB 布局。

PG1 和 PG2 引腳

是內部電源良好比較器的開漏輸出。當相應的 FB 引腳電壓在最終調節電壓的 ±10% 范圍內且無故障條件時，PG 引腳保持高阻態，通常通過外部電阻上拉；否則，內部下拉器件將引腳拉低。

RT 引腳

通過在 RT 引腳和地之間連接一個電阻來設置開關頻率。

SW1 和 SW2 引腳

是每個通道內部功率開關的輸出。應將這些引腳連接到電感和升壓電容，并且在 PCB 上應盡量減小 SW 節點的面積，以提高性能。

SYNC/MODE 引腳

接地時，在低輸出負載下實現低紋波 Burst Mode 操作；連接到時鐘源時，可同步到外部頻率；施加 2.4V 或更高的直流電壓或連接到 (INTV_{CC}) 時，進入脈沖跳過模式。在脈沖跳過模式下，每個通道的靜態電流將增加到幾百 μA。

TR/SS1 和 TR/SS2 引腳

用于軟啟動兩個通道，允許一個通道跟蹤另一個輸出，或使兩個通道跟蹤另一個輸出。對于跟蹤功能，可從被跟蹤的輸出連接一個電阻分壓器到 TR/SS 引腳；對于軟啟動，可在 TR/SS 引腳連接一個電容。內部 2μA 的上拉電流會對軟啟動電容充電，產生電壓斜坡。當 TR/SS 電壓低于 0.79V 時，LT8616 會將相應的 FB 引腳調節到等于 TR/SS 引腳電壓；當 TR/SS 電壓高于 0.79V 時，跟蹤功能禁用，內部參考恢復對誤差放大器的控制。在關機和故障條件下，TR/SS 引腳會通過內部 250Ω 的 MOSFET 拉低；若從低阻抗輸出驅動，需使用串聯電阻。

(V{IN1}) 和 (V{IN2}) 引腳

(V{IN1}) 為 LT8616 的內部電路和通道 1 的頂部功率開關提供電流，必須進行局部旁路。即使僅使用通道 2，(V{IN1}) 也必須連接到 3.4V 或更高的電壓。(V{IN2}) 為內部通道 2 的頂部功率開關提供電流，同樣需要局部旁路，且 (V{IN1}) 必須為 3.4V 或更高才能使通道 2 正常工作。

工作原理

LT8616 是一款雙路單片、恒定頻率、峰值電流模式的降壓 DC/DC 轉換器。其工作過程如下：

1. 開關控制：通過 RT 引腳的電阻設置振蕩器頻率，在每個時鐘周期開始時，內部頂部功率開關導通，電感電流開始增加。當頂部開關電流比較器觸發時，頂部功率開關關閉。
2. 電流調節：誤差放大器通過比較 FB 引腳電壓與內部 0.790V 參考電壓，調節內部 (V{C}) 節點的電壓，從而控制頂部開關關閉時的峰值電感電流。當負載電流增加時，反饋電壓相對參考電壓降低，誤差放大器會提高 (V{C}) 電壓，使平均電感電流匹配新的負載電流。
3. 同步開關：頂部功率開關關閉后，同步功率開關導通，直到下一個時鐘周期開始或電感電流降至零。
4. 過載保護：如果過載導致底部開關電流超過谷值電流限制，下一個時鐘周期將延遲，直到電流恢復到安全水平。
5. 模式選擇：每個通道可以獨立進入 Burst Mode 操作，以在輕負載時優化效率。在 Burst Mode 下，輸出開關控制相關的所有電路在脈沖之間關閉，減少輸入電源電流。也可以通過 SYNC/MODE 引腳選擇脈沖跳過模式，在該模式下，振蕩器持續工作，開關轉換與時鐘對齊，輕負載時通過跳過開關脈沖來調節輸出，每個通道的靜態電流為幾百 μA。
6. 電源供應：當 BIAS 引腳偏置在 3.1V 或以上時，內部電路的電源可以從該引腳獲取；否則，將從 (V_{IN1}) 吸取電流。
7. 輸出監測：比較器監測 FB 引腳電壓，若輸出電壓與調節電壓的偏差超過 ±10%（典型值）或存在故障條件，相應的 PG 引腳將被拉低。
8. 軟啟動和跟蹤：通過 TR/SS 引腳向外部軟啟動電容提供恒定電流，產生電壓斜坡，實現跟蹤軟啟動。在軟啟動過程中，FB 電壓被調節到 TR/SS 引腳電壓，直到其超過 0.790V，之后 FB 電壓調節到 0.790V 參考電壓。軟啟動還會降低谷值電流限制，以避免啟動時的浪涌電流。在關機、(V_{IN1}) 欠壓或熱關機時，軟啟動電容會被復位。

應用設計要點

實現超低靜態電流

為了在輕負載時提高效率，LT8616 采用低紋波 Burst Mode 操作。在該模式下，LT8616 向輸出電容提供單個小電流脈沖，然后進入睡眠期，由輸出電容提供輸出功率。睡眠模式下，LT8616 消耗 3μA 電流。隨著輸出負載降低，單個電流脈沖的頻率降低，睡眠模式時間增加，從而提高了輕負載效率。為了優化輕負載時的靜態電流性能，應盡量減小反饋電阻分壓器中的電流，因為它會作為負載電流影響輸出。

FB 電阻網絡

輸出電壓通過輸出和 FB 引腳之間的電阻分壓器進行編程。選擇電阻值時，可根據公式 (R1 = R2left(frac{V{OUT1}}{0.790V}-1right)) 進行計算。為了保持輸出電壓的準確性，建議使用 1% 的電阻。若需要低輸入靜態電流和良好的輕負載效率，應使用較大的電阻值。反饋電阻分壓器中的電流會增加轉換器的無負載輸入電流，其計算公式為 (I{Q}=3mu A+left(frac{V{OUT1}}{R1 + R2}right)left(frac{V{OUT1}}{V_{IN1}}right)left(frac{1}{eta}right))，其中 3μA 為靜態電流，第二項為反饋分壓器中的電流在通道 1 輕負載效率 η 下反射到輸入的電流。

設置開關頻率

LT8616 采用恒定頻率 PWM 架構，可通過在 RT 引腳和地之間連接電阻來編程開關頻率，范圍為 200kHz 至 3MHz。所需的 (R{T}) 電阻值可通過公式 (R{T}=frac{0.6}{f{SW}^{2}}+frac{42.6}{f{SW}}-6.1) 計算，其中 (R{T}) 單位為 (kOmega)，(f{SW}) 為所需的開關頻率（單位為 MHz）。兩個通道的開關相位相差 180°，以避免開關邊沿噪聲和輸入電流紋波。

開關頻率的選擇與權衡

選擇開關頻率時，需要在效率、元件尺寸和輸入電壓范圍之間進行權衡。高頻操作的優點是可以使用較小的電感和電容值，但缺點是效率較低，且全頻率操作的輸入電壓范圍較小。對于給定應用，最高開關頻率 (f{SW(MAX)}) 可通過公式 (f{SW(MAX)}=frac{V{OUT}+V{SW(BOT)}}{t{ON(MIN)}(V{IN}-V{SW(TOP)}+V{SW(BOT)})}) 計算，其中 (V{IN}) 為典型輸入電壓，(V{OUT}) 為輸出電壓，(V{SW(TOP)}) 和 (V{SW(BOT)}) 分別為內部開關壓降，(t{ON(MIN)}) 為最小頂部開關導通時間。對于不允許在低 (V{IN}/V{OUT}) 比下偏離編程開關頻率的應用，可使用公式 (V{IN(MIN)}=frac{V{OUT}+V{SW(BOT)}}{1 - f{SW}cdot t{OFF(MIN)}}-V{SW(BOT)}+V{SW(TOP)}) 設置開關頻率。

電感選擇和最大輸出電流

電感的選擇應根據應用的輸出負載要求進行。一個較好的電感值選擇公式為 (L1=frac{V{OUT1}+V{SW1(BOT)}}{f{SW}}cdot1.6) 和 (L2=frac{V{OUT2}+V{SW2(BOT)}}{f{SW}})，其中 (f{SW}) 為開關頻率（單位為 MHz），(V{OUT}) 為輸出電壓，(V{SW(BOT)}) 為底部開關壓降。為了避免過熱和效率低下，電感的 RMS 電流額定值應大于應用的最大預期輸出負載，且飽和電流（通常標記為 (I{SAT})）額定值應高于負載電流加上電感紋波電流的一半。最大輸出電流 (I{OUT(MAX)}) 取決于開關電流限制、電感值以及輸入和輸出電壓，計算公式為 (I{OUT(MAX)}=I{LIM}-frac{Delta I{L}}{2})，其中 (Delta I{L}) 為電感紋波電流，可通過公式 (Delta I{L}=frac{V{OUT}}{Lcdot f{SW}}cdotleft(1-frac{V{OUT}}{V{IN(MAX)}}right)) 計算。每個通道還有一個二次谷值電流限制，當頂部開關關閉后，底部開關承載電感電流。如果電感電流過高，底部開關將保持導通，延遲頂部開關導通，直到電感電流恢復到安全水平。

輸入電容

應使用 X7R 或 X5R 類型的陶瓷電容對 LT8616 電路的輸入進行旁路，將其盡可能靠近 (V_{IN}) 和 GND 引腳放置。Y5V 類型的電容在溫度和施加電壓變化時性能較差，不應使用。2.2μF 至 10μF 的陶瓷電容足以旁路 LT8616，并能輕松處理紋波電流。當使用較低開關頻率時，需要更大的輸入電容。如果輸入電源具有高阻抗或由于長電線或電纜存在顯著電感，則可能需要額外的大容量電容，可使用低性能電解電容。輸入電容的作用是減少 LT8616 處的電壓紋波，并將高頻開關電流限制在局部回路中，以最小化 EMI。

輸出電容和輸出紋波

輸出電容有兩個重要功能：一是與電感一起過濾 LT8616 產生的方波，產生直流輸出，因此在開關頻率下具有低阻抗很重要；二是存儲能量以滿足瞬態負載并穩定 LT8616 的控制環路。陶瓷電容具有極低的等效串聯電阻（ESR），能提供最佳的紋波性能。建議使用 X5R 或 X7R 類型的電容，以獲得低輸出紋波和良好的瞬態響應。增加輸出電容值可以降低輸出電壓紋波，但可能會增加成本和占用空間；減小輸出電容值可以節省空間和成本，但可能會影響瞬態性能并導致環路不穩定。在選擇電容時，應注意根據數據手冊計算在相關電壓偏置和溫度條件下的有效電容值，可能需要使用物理尺寸更大或電壓額定值更高的電容。

使能引腳

當兩個 EN/UV 引腳都為低電平時，LT8616 處于關機狀態；當任一引腳為高電平時，LT8616 處于激活狀態。EN/UV 比較器的上升閾值為 1.03V，具有 50mV 的滯回。如果不使用關機功能，可將 EN/UV 引腳連接到 (V{IN})；如果需要關機控制，可將其連接到邏輯電平。通過從 (V{IN}) 到 EN/UV 引腳添加電阻分壓器，可以編程 LT8616 僅在 (V_{IN}) 高于所需電壓時工作，以避免在低輸入電壓條件下出現問題。

(INTV_{CC}) 調節器

內部低壓差（LDO）調節器從 (V{IN1}) 產生 3.4V 電源，為驅動器和內部偏置電路供電。因此，要使用任一通道，(V{IN1}) 必須存在且有效。(INTV_{CC}) 引腳為 LT8616 的電路提供電流，必須使用 1μF 的陶瓷電容進行去耦，以提供功率 MOSFET 柵極驅動器所需