LTC1876：高性能三輸出開關穩壓器的技術解析

在電子設備的電源管理領域，高性能開關穩壓器一直是工程師們關注的焦點。LTC1876作為一款高性能三輸出開關穩壓器，憑借其獨特的設計和出色的性能，在眾多應用中展現出了強大的優勢。本文將深入解析LTC1876的特點、應用及工作原理，為電子工程師們提供全面的技術參考。

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一、LTC1876的主要特性

1. 降壓控制器特性

• 降低輸入電容和噪聲：采用異相控制器，有效減少所需的輸入電容和電源感應噪聲。這一特性使得在設計電路時，可以使用更小容量的輸入電容，降低成本的同時，也減少了電路板的空間占用。
• 電源良好輸出指示：具備Power Good輸出電壓指示器，方便工程師實時監測輸出電壓是否正常。
• OPTI - LOOP補償：通過OPTI - LOOP補償，可在寬范圍的輸出電容和ESR值下優化瞬態響應，確保輸出電壓的穩定性。
• 寬輸入電壓范圍：支持3.5V至36V的寬輸入電壓范圍，適用于多種電源環境。
• 極低的壓降操作：能夠實現99%的占空比，在輸入電壓接近輸出電壓時，仍能保持高效的電壓轉換。
• 可調軟啟動和短路保護：提供可調的軟啟動電流斜坡，避免啟動時的電流沖擊。同時，具備鎖存短路關斷功能，并可選擇解除該功能，增強了電路的可靠性。
• 遠程輸出電壓感測和過壓保護：支持遠程輸出電壓感測，能夠及時檢測輸出電壓的變化，并在過壓時采取保護措施。
• 可選的工作模式：可選擇恒定頻率或Burst Mode?操作，以滿足不同的應用需求。

2. 升壓調節器特性

• 高開關頻率：工作在1.2MHz的高開關頻率，允許使用小型低成本的電容器和電感器，減小了電路的體積。
• 低內部開關壓降：內部開關的V CESAT 低至400mV（@1A，VIN = 3V），降低了開關損耗，提高了轉換效率。
• 寬輸入電壓范圍：支持2.6V至16V的寬輸入電壓范圍，增加了應用的靈活性。
• 高輸出電壓：能夠提供高達34V的輸出電壓，滿足一些對高電壓有需求的應用。

二、應用領域

LTC1876適用于多種應用場景，特別是在對電源效率、體積和穩定性有較高要求的設備中。以下是一些典型的應用：

• 3.3V輸入降壓轉換器：可將3.3V輸入轉換為所需的輸出電壓，為各種電子設備提供穩定的電源。
• 筆記本和掌上電腦：滿足這些設備對電源的高效、緊湊和穩定的需求。
• 電池供電的數字設備：在電池供電的環境下，LTC1876的低功耗和高效轉換特性能夠延長電池的續航時間。

三、電氣特性

1. 主要控制環路

• 調節反饋電壓：V OSENSE1, 2 在特定條件下，調節反饋電壓在0.792V至0.808V之間，確保輸出電壓的準確性。
• 反饋電流：I VOSENSE1, 2 反饋電流在 -5nA至 -50nA之間，為電路的穩定運行提供保障。
• 參考電壓線路調節：V REFLNREG 在輸入電壓3.6V至30V的范圍內，參考電壓線路調節在0.002%/V至0.02%/V之間，保證了輸出電壓的穩定性。
• 輸出電壓負載調節：V LOADREG 在不同的負載條件下，輸出電壓負載調節在 -0.5%至0.5%之間，確保輸出電壓在負載變化時的穩定性。

2. 其他特性

• 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。正常模式下為350μA，待機模式下為125μA，關斷模式下為20μA。
• 振蕩器頻率：振蕩器頻率可通過FREQSET引腳進行調節，范圍從120kHz至360kHz，滿足不同的應用需求。

四、引腳功能

1. 控制和監測引腳

• RUN/SS1, RUN/SS2：兼具軟啟動、運行控制輸入和短路檢測定時器的功能。通過連接到地的電容設置輸出電流的斜坡時間，當引腳電壓低于1V時，可關閉相應的控制器。
• SENSE1+, SENSE2+ 和 SENSE1-, SENSE2-：分別作為差分電流比較器的正、負輸入，與ITH引腳電壓和RSENSE電阻共同設置電流跳閘閾值。
• VOSENSE1, VOSENSE2：接收來自外部電阻分壓器的遠程感測反饋電壓，用于調節輸出電壓。
• FREQSET：用于控制振蕩器的頻率，可通過外部電壓源進行調節，也可用于構建真正的鎖相環。
• STBYMD：控制引腳，決定控制器關閉時哪些電路保持活躍，也可作為關閉兩個控制器的公共控制點。
• FCB：強制連續控制輸入，可用于調節次級繞組，當引腳電壓低于0.8V時，強制兩個控制器進行連續同步操作。

2. 電源和驅動引腳

• 3.3VOUT：線性穩壓器的輸出，能夠提供高達10mA的直流電流和50mA的峰值電流。
• AUXVIN：輔助升壓調節器的控制器電源引腳，需與AUXPGND緊密去耦。
• TG1, TG2 和 BG1, BG2：分別為頂部和底部N溝道MOSFET的高電流柵極驅動器，提供相應的電壓驅動。
• SW1, SW2：開關節點連接到電感器，電壓擺動范圍從肖特基二極管的電壓降以下到VIN。
• BOOST1, BOOST2：為頂部浮動驅動器提供自舉電源，通過連接電容和肖特基二極管實現。
• INTVCC：內部5V線性低壓差穩壓器和EXTVCC開關的輸出，為驅動器和控制電路提供電源。
• EXTVCC：外部電源輸入，當電壓高于4.7V時，可繞過內部低壓差穩壓器，直接為INTVCC供電。

3. 其他引腳

• PGOOD：開漏邏輯輸出，當VOSENSE引腳的電壓不在設定值的±7.5%范圍內時，引腳被拉低。

五、工作原理

1. 主控制環路

LTC1876采用恒定頻率、電流模式方案，為所有輸出提供出色的線路和負載調節。降壓控制器的兩個開關驅動器以180度異相運行，在正常操作時，頂部MOSFET根據時鐘信號開啟，當主電流比較器I1檢測到峰值電感電流達到ITH引腳設定的閾值時，頂部MOSFET關閉。底部MOSFET在頂部MOSFET關閉后開啟，直到電感電流開始反向或下一個周期開始。當輸入電壓接近輸出電壓時，環路可能進入壓降狀態，此時頂部MOSFET會被強制關閉一段時間，以允許自舉電容CB充電。通過控制RUN/SS引腳，可以實現主控制環路的開啟和關閉，同時軟啟動電容CSS的充電過程可以控制輸出電流的上升速度。

2. 輔助調節器

輔助升壓調節器與其他LTC1876電路完全獨立，即使降壓控制器處于關閉狀態，也可以獨立運行。其工作原理與控制器類似，通過振蕩器OSC AUX 控制RS鎖存器，開啟單片功率開關。當開關電流產生的電壓與穩定斜坡相加后超過PWM比較器A1 AUX 的負輸入電平時，功率開關關閉。為了保護功率開關，內部設置了1A的最小電流限制。通過控制AUXSD引腳的電壓，可以實現輔助調節器的開啟和關閉。

3. 低電流操作

FCB引腳具有多功能性，當引腳電壓低于0.8V時，控制器強制進行連續PWM電流操作；當引腳電壓在0.8V至V INTVCC - 2V之間時，控制器進入Burst Mode操作。在Burst Mode操作中，當電感電流為負時，同步MOSFET會關閉，直到輸出電壓下降到一定程度，才會再次開啟MOSFET，以保持輸出電壓的穩定。

4. 恒定頻率操作

當FCB引腳連接到INTVCC時，Burst Mode操作被禁用，控制器提供恒定頻率、不連續（防止電感電流反向）的電流操作，在較寬的輸出電流范圍內保持較低的噪聲和恒定的頻率。

5. 恒定電流（PWM）操作

將FCB引腳接地，會強制控制器進行連續電流操作。這種模式效率較低，但在某些應用中可能是必要的。需要注意的是，在強制連續操作時，如果輸出電流為負，可能會導致電流回流到主電源，使輸入電源電壓升高，存在一定的風險。

6. 頻率設置

FREQSET引腳可用于調節控制器內部振蕩器的頻率，范圍從約140kHz至310kHz。該引腳通過內部電阻連接到1.19V參考電壓，默認設置振蕩器頻率為約220kHz。也可以通過外部AC或DC信號源驅動該引腳，控制振蕩器的瞬時頻率。輔助升壓調節器則以恒定的1.2MHz頻率運行。

7. INTVCC / EXTVCC電源

頂部和底部MOSFET驅動器以及大多數其他內部電路的電源來自INTVCC引腳。當EXTVCC引腳懸空時，內部5V低壓差線性穩壓器為INTVCC供電；當EXTVCC引腳電壓高于4.7V時，5V穩壓器關閉，內部開關開啟，將EXTVCC連接到INTVCC，從而可以從高效的外部電源獲取INTVCC的電源。

8. 待機模式引腳

STBYMD引腳是一個三態輸入，用于控制IC內的公共電路。當引腳接地時，兩個控制器的RUN/SS引腳被拉低，關閉兩個控制器；當引腳懸空時，內部RUN/SS電流使能，允許開啟控制器并激活必要的內部偏置；當引腳電壓高于2V時，兩個內部線性穩壓器開啟，為其他電路提供輸出電源。

9. 輸出過壓保護

過壓比較器OV用于防止輸出電壓出現瞬態過沖（>7.5%）以及其他可能導致輸出過壓的情況。當檢測到過壓時，頂部MOSFET關閉，底部MOSFET開啟，直到過壓條件消除。

10. 電源良好（PGOOD）引腳

PGOOD引腳連接到內部MOSFET的開漏極，當兩個輸出電壓不在其標稱輸出電平的±7.5%范圍內時，MOSFET開啟，將引腳拉低；當輸出電壓滿足要求時，MOSFET在10μs內關閉，引腳可通過外部電阻上拉至最高7V的電源。

11. 折返電流、短路檢測和短路鎖存

RUN/SS電容最初用于限制每個降壓開關穩壓器的浪涌電流。在控制器啟動并為輸出電容充電后，RUN/SS電容用作短路超時電路。當輸出電壓降至其標稱輸出電壓的70%以下時，RUN/SS電容開始放電，如果該情況持續一段時間，兩個控制器將被關閉，直到RUN/SS引腳電壓恢復正常。內置的鎖存功能可以通過提供大于5μA的上拉電流來覆蓋。此外，當輸出電壓低于70%的標稱水平時，折返電流限制也會被激活，確保在短路情況下提供安全的低輸出電流。

六、兩相操作的原理和優勢

1. 兩相操作的需求

在大多數雙恒定頻率開關穩壓器中，兩個調節器通常同相運行，這會導致輸入電容和電池需要提供高達兩倍于單個調節器的電流脈沖，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和輸入電容及電池的損耗。

2. 兩相操作的優勢

LTC1876的雙高效DC/DC控制器采用兩相操作，將兩個開關調節器的通道以180度異相運行，有效地交錯了開關產生的電流脈沖，大大減少了電流脈沖的重疊時間。這使得總RMS輸入電流顯著降低，從而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。實際測量表明，兩相操作將輸入電流從2.53A RMS 降低到1.55A RMS ，由于功率損耗與I RMS 2成正比，實際功率損耗降低了2.66倍。同時，降低的輸入紋波電壓也減少了輸入電源路徑中的功率損耗。

七、總結

LTC1876作為一款高性能三輸出開關穩壓器，具有降壓控制器和升壓調節器的雙重功能，具備多種優秀的特性和靈活的工作模式。其兩相操作的設計在降低輸入電容、減少EMI和提高效率方面具有顯著優勢。在實際應用中，電子工程師可以根據具體的需求，合理選擇LTC1876的工作模式和引腳配置，以實現高效、穩定的電源管理。你在使用LTC1876的過程中遇到過哪些問題呢？你認為它在哪些應用場景中還可以進一步優化？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。