探索LTC1628：高效2相DC/DC轉換器的設計與應用

引言

在電子設備的電源設計中，高效、穩定且低電磁干擾（EMI）的電源轉換器至關重要。LTC1628作為一款2相恒頻同步雙輸出DC/DC轉換器，為筆記本電腦等系統電源應用提供了理想的解決方案。本文將深入探討LTC1628的特性、性能、操作方法以及設計要點。

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一、LTC1628概述

1. 基本特性

LTC1628演示板采用低EMI、2相、可調雙開關穩壓器控制器，可提供3.3V/4A和5V/4A輸出，非常適合筆記本電腦系統電源應用。其獨特的2相操作使兩個高端MOSFET相差180°工作，顯著降低了峰值輸入紋波電流，從而減少了輻射和傳導EMI。同時，該設計還最小化了外部元件數量、成本和尺寸。

2. 輸出電壓設置

輸出電壓可外部設置低至0.8V，控制器具備過流鎖存功能（可外部禁用）以及內部電流折返功能，以應對過載情況。此外，還提供過壓軟鎖存功能。

3. 內部線性穩壓器

除了兩個高電流輸出外，芯片還集成了5V/50mA和3.3V/25mA線性穩壓器。在可選的待機模式下，當兩個高電流控制器關閉時，這些內部穩壓器能夠為外部系統喚醒電路供電。

4. 工作模式

提供兩種低電流工作模式：Burst Mode?操作可實現最高效率，而Burst Disable模式則提供恒定頻率操作，最低可降至最大設計負載的1%。頻率可通過外部直流控制在130kHz至300kHz范圍內調節，控制器在極低壓差條件下可實現高達99%的占空比。

二、性能總結

1. 工作溫度范圍

演示板的工作溫度范圍為0°C至50°C。

2. 輸入輸出參數

3. 其他性能參數

三、快速啟動指南

1. 準備工作

參考圖1進行電路板方向和測量設備設置，按照圖示放置跳線，暫時不連接STBYMD和FCB跳線。

2. 連接負載

在VOUT1、Vout2與其最近的PGND端子之間連接所需負載，VOUT1和Vout2的負載電流最大可達4A。當負載電流超過1A時，應使用焊接導線以實現最佳性能。

3. 連接電源

將輸入電源連接到電路板右側中心的VIN和GND端子，注意不要將VIN超過30V，以免損壞MOSFET。建議初始VIN <7V。

4. 啟動通道

通過移除RUN/SS1或RUN/SS2跳線來開啟所需通道。

5. 驗證輸出

測量VOUT1和OUT2，驗證在每個負載電流高達3A時，輸出電壓分別為5V ± 0.1V和3.3V ± 0.067V。

6. 注意事項

有源負載可能會導致結果混淆，可參考操作部分的有源負載討論。

四、操作原理

1. 2相操作的原理和優勢

在LTC1628之前，恒頻雙開關穩壓器采用1相操作，即兩個開關同時導通，導致從輸入電容和電池吸取的電流脈沖幅度高達單個調節器的兩倍，增加了輸入電容的總RMS電流，需要使用更昂貴的輸入電容，并增加了EMI和損耗。

而2相操作使雙開關穩壓器的兩個通道相差180°工作，有效交錯了來自開關的電流脈沖，大大減少了它們疊加的重疊時間，從而顯著降低了總RMS輸入電流。這使得可以使用更便宜的輸入電容，減少了EMI屏蔽要求，并提高了實際工作效率。

2. LTC1628的操作模式

• 頻率設置：內部振蕩器頻率由施加到FREQSET引腳的電壓設置。演示板上的FREQ跳線允許選擇三種不同電壓：0V、跳線斷開時為1.2V和5V，內部振蕩器將分別運行在130kHz、200kHz和300kHz。通過向FREQSET引腳施加0V至2.4V的外部電壓，頻率可在130kHz至300kHz范圍內連續變化。
• 低電流模式：提供兩種低電流模式，Burst Mode操作可實現最大效率，而Burst Disable模式提供恒定頻率操作，效率略低。恒定頻率在需要最小電氣噪聲的應用中較為理想。
• FCB引腳功能：FCB輸入引腳允許選擇兩個開關穩壓器控制器的低電流操作模式。當FCB引腳連接到INTV CC時，啟用Burst Disable模式；將FCB引腳接地會迫使控制器進入PWM或強制連續模式；當施加到FCB引腳的電壓小于(INTV CC - 0.8 V)或引腳懸空時，啟用Burst Mode操作。
• FLTCPL引腳功能：FLTCPL引腳允許在幾種情況下實現兩個控制器之間的耦合。當FLTCPL接地時，控制器獨立工作；當引腳連接到INTV CC時，會出現特定操作，如FCB輸入電壓低于0.8V閾值時，兩個控制器進入強制連續操作模式；當任一控制器因過載或短路而鎖存關閉時，另一通道也會鎖存關閉。
• STBYMD引腳功能：STBYMD PC板輸入連接到STBYMD IC引腳。當兩個開關穩壓器控制器都未開啟時，將STBYMD IC引腳以大于5μA的電流上拉到輸入電源，可開啟內部5V INTV CC和3.3V LDO穩壓器。

3. 過流和過壓保護

• 過流保護：RUN/SS電容CSS最初用于開啟控制器并限制浪涌電流。控制器啟動并為輸出電容充電并提供滿載電流后，CSS用作短路超時電路。如果輸出電壓降至其標稱輸出電壓的70%以下，CSS開始放電，假設輸出處于過流和/或短路狀態。如果該狀態持續足夠長的時間（由CSS的大小決定），控制器將關閉，直到RUN/SS引腳電壓重新循環。此內置鎖存關閉功能可通過在RUN/SS引腳提供>5μA的上拉電流（4V的合規性）來覆蓋。當輸出電壓低于其標稱水平的70%時，無論短路鎖存關閉電路是否啟用，都會激活折返電流限制。
• 過壓保護：輸出通過“軟鎖存”保護免受過壓影響。當輸出電壓超過調節值超過7.5%時，同步MOSFET導通并保持導通，直到過壓條件消失。如果輸出電壓恢復到安全水平，正常操作將恢復。這種自復位動作可防止因瞬間瞬變而導致的“誤跳閘”，并消除了傳統OVP所需的肖特基二極管以防止Vout反轉。

五、物理設計與布局提示

1. 電路板設計

演示板采用典型的4層銅PC板制造，外層為2 oz銅，內層為1 oz銅。電路板設計使用最少的外部元件，但添加了一些組件以方便可選的IC配置，這些組件在最終設計中可能不需要。

2. 布局注意事項

• 輸入電路隔離：輸入電路（包括外部開關MOSFET、輸入電容和肖特基二極管）具有快速的電壓和電流轉換，應遠離電流模式開關穩壓器所需的敏感控制電路和環路補償組件。
• 減少靜電耦合：通過增加與大或快速移動電壓信號的距離來減少靜電或電容耦合問題。開關節點、二次反激繞組電壓等信號點可能會導致問題，應保持相關PC跡線小并遠離IC的“安靜”側。
• 減少電磁反饋：通過保持高交流電流（發射機）路徑和反饋電路（接收機）路徑小且短，最小化電磁或電流環路引起的反饋問題。應將輸入電容、頂部MOSFET、肖特基二極管等形成的環路保持盡可能小且緊密，以減少“遠場”輻射效應。
• 接地優化：LTC1628開關穩壓器控制器的PGND - SGND連接點通過在IC下方直接連接接地來優化，形成緊密的表面接地平面。
• 電容放置：INTV CC上的電容應作為儲備，為底部柵極提供高瞬態電流并為升壓電容充電。該電容應為10μF陶瓷電容或1μF陶瓷電容與4.7μF鉭電容并聯，并應盡可能靠近IC的INTV CC和PGND引腳放置。
• 電壓感測跡線：感測電流感測電阻兩端電壓的跡線可以較長，但應相互平行并保持最小間距，以感受來自輻射源的相同靜電和電磁場。如果跡線較長，應比最小寬度寬，以最小化自感。

六、總結

LTC1628作為一款高性能的2相DC/DC轉換器，在降低EMI、提高效率和減少元件數量方面表現出色。通過深入了解其特性、操作原理和設計要點，電子工程師可以更好地將其應用于各種電源設計中。在實際設計過程中，需要注意電路板布局和有源負載等問題，以確保電源系統的穩定和高效運行。你在使用LTC1628或類似電源轉換器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。