LT8708：高性能4开关升降压控制器的深度解析与应用

在电子工程师的日常工作里，一款性能卓越的DC/DC控制器往往能起到事半功倍的效果。今天，我们就来深入探讨一下LT8708这款高性能4开关升降压控制器，看看它有哪些独特之处以及如何在实际项目中应用。

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一、LT8708概述

LT8708是一款具备双向电流和功率流动功能的高性能4开关升降压控制器。它的输入电压可以高于、低于或等于输出电压，这种灵活性使其在众多应用场景中都能大显身手。该芯片具有六项独立的调节功能，能够对输入输出的电压和电流进行精确控制，无论是正向还是反向的电流和功率流动都能轻松应对。它还支持同步整流，效率高达99%，并且有40引脚（5mm × 8mm）QFN和64引脚（10mm × 10mm）eLQFP两种封装可供选择，满足不同的应用需求，同时通过了AEC - Q100认证，可用于汽车应用。

二、主要特性分析

2.1 单电感设计

单电感的设计使得输入电压（(V{IN})）可以高于、低于或等于输出电压（(V{OUT})），大大简化了电路设计。在不同的电压条件下，它都能稳定工作，为工程师提供了更多的设计灵活性。

2.2 六项独立调节

六项独立的调节功能分别针对(V{IN})电流（正向和反向）、(V{OUT})电流（正向和反向）以及(V{IN})和(V{OUT})电压。这意味着我们可以根据具体的应用需求，对各个参数进行精确控制，实现高效稳定的电源转换。例如，在电池备份系统中，我们可以通过调节输入输出电流和电压，确保电池的充电和放电过程安全高效。

2.3 双向连续和不连续传导模式

支持正向和反向的不连续传导模式（DCM），这在轻载情况下可以提高效率。同时，还能在不同模式下切换，根据实际的负载情况选择最合适的工作模式，进一步优化系统性能。

2.4 宽输入输出电压范围

(V{IN})范围为2.8V（需要(EXTV{CC}>6.4V)）到80V，(V_{OUT})范围为1.3V到80V，如此宽的电压范围使得它能够适配大多数太阳能、汽车、电信和电池供电系统。无论是高电压还是低电压的应用场景，LT8708都能轻松胜任。

2.5 同步整流

同步整流技术的应用使得效率最高可达99%，这对于提高系统的整体能效至关重要。在能源日益宝贵的今天，高效的电源转换能够降低功耗，减少散热需求，延长设备的使用寿命。

三、引脚功能详解

LT8708的引脚功能丰富多样，每个引脚都在电路中扮演着重要的角色。

3.1 时钟与同步相关引脚

• CLKOUT（Pin 1/Pin 63）：时钟输出引脚。可以用来同步一个或多个兼容的开关稳压器IC，其频率与内部振荡器或SYNC引脚相同，但相位大约相差180°。此外，该引脚的占空比与芯片的结温呈线性关系，还可以作为温度监测引脚使用，并且可以驱动高达200pF的电容负载。
• SYNC（Pin 14/Pin 14）：用于将开关频率同步到外部时钟。只需要给这个引脚输入一个时钟信号即可，时钟信号的高电平需要超过1.3V，低电平应小于0.5V。当将该引脚驱动到小于0.5V时，芯片将恢复到内部自由运行的时钟模式。

3.2 电压反馈与监测引脚

• FBIN（Pin 8/Pin 8）：(V{IN})反馈引脚。连接到误差放大器EA3的输入端，用于检测和调节低(V{IN})电压。通过合理设置反馈电路，可以精确控制输入电压，确保系统在不同的输入电压条件下都能稳定工作。
• FBOUT（Pin 9/Pin 9）：(V{OUT})反馈引脚。连接到误差放大器EA4的输入端，用于检测和调节高(V{OUT})电压。同样，通过反馈电路的设计，可以实现对输出电压的精确控制。
• VINHIMON（Pin 27/Pin 39）：(V{IN})高电压监测引脚。连接一个±1%的电阻分压器，可以设置(V{IN})的过电压水平。当(V{IN})高于这个设定值时，通过拉低RVSOFF引脚来禁用反向传导，防止电流流入(V{IN})，起到保护作用。
• VOUTLOMON（Pin 26/Pin 38）：(V{OUT})低电压监测引脚。连接电阻分压器可设置(V{OUT})的欠电压水平。当(V{OUT})低于这个设定值时，禁用反向传导，防止从(V{OUT})吸取电流，保护负载和电池。

3.3 电流监测与限制引脚

• IMON_INP（Pin 11/Pin 11）：正向(V{IN})电流监测和限制引脚。该引脚输出的电流是20μA加上与正向平均(V{IN})电流成比例的电流。通过连接到误差放大器EA5，可以限制最大正向(V_{IN})电流，确保系统的安全性和稳定性。
• IMON_INN（Pin 12/Pin 12）：反向(V{IN})电流监测和限制引脚。与IMON_INP类似，用于监测和限制反向(V{IN})电流。
• ICP（Pin 28/Pin 40）：正向(V_{OUT})电流监测引脚。输出电流与IMON_OP类似，但在特定的工作模式下有不同的表现。通常需要连接一个17.4k的电阻到地。
• ICN（Pin 6/Pin 6）：反向(V{OUT})电流监测引脚。同样需要连接一个17.4k的电阻到地，用于监测反向(V{OUT})电流。

3.4 开关控制与使能引脚

• SHDN（Pin 3/Pin 3）： shutdown引脚。将其拉高可以使能芯片，接地则可以关闭芯片并将静态电流降至最低。在实际应用中，我们可以通过控制这个引脚来实现系统的节能管理。
• SWEN（Pin 36/Pin 58）：开关稳压器使能引脚。需要通过一个电阻拉高来使能开关。当该引脚电压低于激活阈值时，芯片上的电流检测电路将被禁用。在启动过程中，这个引脚起到了关键的控制作用。
• MODE（Pin 37/Pin 59）：传导模式选择引脚。通过施加不同的电压，可以选择连续传导模式（CCM）、混合传导模式（HCM）、不连续传导模式（DCM）或Burst Mode操作。根据不同的负载情况和效率要求，选择合适的传导模式可以优化系统性能。
• DIR（Pin 7/Pin 7）：方向引脚。在MODE设置为DCM或HCM操作时使用，用于选择功率流动的方向。连接到GND时，功率从(V{OUT})流向(V{IN})；连接到LDO33时，功率从(V{IN})流向(V{OUT})。

四、工作模式与操作原理

4.1 启动过程

启动过程分为多个阶段，主要由SHDN和SWEN引脚控制。当SHDN引脚电压低于0.35V（LT8708E、LT8708I）或0.3V（LT8708H）时，芯片处于禁用状态，静态电流最小。当SHDN电压高于1.221V时，(INTV_{CC})和LDO33调节器被启用，但开关稳压器尚未启动。接下来，需要将SWEN引脚通过电阻拉高，使其电压超过激活阈值（典型值为1.208V），开关稳压器才能正式启动。在启动过程中，还涉及到软启动阶段，通过缓慢升高SS引脚的电压，实现对电感电流和输出电压的平滑控制，避免电流冲击。

4.2 控制概述

LT8708是一款电流模式控制器，它通过内部的六个误差放大器（EA1 - EA6）来控制(V{C})引脚的电压，从而实现对电感电流和功率流动的精确控制。这六个误差放大器分别用于限制或调节不同的电压和电流参数，如正向和反向的(V{IN})电流、(V{OUT})电流以及(V{IN})和(V_{OUT})电压。通过合理设置这些误差放大器的参数，我们可以根据具体的应用需求对系统进行精确控制。

4.3 功率开关控制

根据输入输出电压的关系，LT8708可以工作在降压、升压和升降压三种模式下。在不同的模式下，功率开关的控制方式也有所不同。

4.3.1 降压模式（(V{IN} gg V{OUT})）

在降压模式下，M3开关始终关闭，M4开关始终打开。在每个开关周期开始时，同步开关M2先打开，通过放大器A4检测电感电流，并添加斜坡补偿信号后与(V_{C})引脚的参考电压进行比较。当检测到的电感电流低于参考值时，M2开关关闭，M1开关打开，直到周期结束。这样，M1和M2开关交替工作，实现了降压功能。

4.3.2 升降压模式（(V{IN} cong V{OUT})）

在升降压模式下，工作过程较为复杂。如果控制器从M2和M4开关打开开始，先按降压模式工作。当A5触发时，M2开关关闭，M1开关打开，直到时钟周期的中间。然后，M4开关关闭，M3开关打开，按升压模式工作，直到A2触发。最后，M3开关关闭，M4开关打开，直到周期结束。反之，如果从M1和M3开关打开开始，则先按升压模式工作，再按降压模式工作。

4.3.3 升压模式（(V{IN} ll V{OUT})）

在升压模式下，M1开关始终打开，M2开关始终关闭。在每个开关周期开始时，M3开关先打开，检测电感电流并添加斜坡补偿信号后与(V_{C})引脚的参考电压进行比较。当电感电流高于参考值时，M3开关关闭，M4开关打开，直到周期结束。M3和M4开关交替工作，实现升压功能。

4.4 单向和双向传导模式

LT8708具有一种双向传导模式（CCM）和三种单向传导模式（DCM、HCM和Burst Mode）。双向传导模式允许电流和功率在(V{IN})和(V{OUT})之间双向流动，由(V_{C})引脚控制。单向传导模式则只允许电流和功率在一个方向上流动，通过MODE和DIR引脚进行选择。例如，在DCM和HCM模式下，通过设置DIR引脚的电压可以选择正向或反向功率流动。此外，RVSOFF引脚可以禁用反向电流和功率流动，起到保护作用。

五、外部组件选择与设计

5.1 工作频率选择

LT8708的工作频率可以通过内部振荡器设置，也可以同步到外部时钟源。频率范围在100kHz到400kHz之间。选择合适的工作频率需要在效率和组件尺寸之间进行权衡。较低的频率可以减少MOSFET的开关损耗，提高效率，但需要更大的电感和电容来维持低输出纹波电压。对于高功率应用，建议选择较低的频率以减少MOSFET的发热。可以通过在RT引脚到地之间连接一个合适的电阻来设置内部振荡器的频率，也可以将SYNC引脚连接到外部时钟源进行同步。

5.2 电感选择

电感的选择对于系统性能至关重要。为了实现高效率，应选择具有低磁芯损耗（如铁氧体）和低直流电阻的电感，以减少(I^{2}R)损耗，并且能够承受峰值电感电流而不发生饱和。在选择电感值时，需要考虑多个因素，如负载电流、避免次谐波振荡以及最大电流额定值等。通过相关的计算公式，可以确定满足系统要求的最小电感值。例如，在升压模式下，为了提供足够的正向(V_{OUT})电流，需要根据公式计算出最小电感值；为了避免次谐波振荡，也有相应的计算公式来确定电感的最小值。

5.3 功率MOSFET选择

LT8708需要四个外部N沟道功率MOSFET，包括两个顶部开关（M1和M4）和两个底部开关（M2和M3）。选择MOSFET时，需要考虑击穿电压(V{BR, DSS})、阈值电压(V{GS,TH})、导通电阻(R{DS(ON)})、输出电容(C{oss})和最大电流(I{DS(MAX)})等参数。由于门极驱动电压由6.3V的(GATEV{CC})电源提供，因此必须使用逻辑电平阈值的MOSFET。在实际应用中，还需要考虑功率损耗问题，过高的功率损耗可能会导致MOSFET过热损坏。可以通过计算各个MOSFET在不同工作模式下的功率损耗，选择合适的MOSFET，并可以考虑使用多个MOSFET并联来降低单个器件的功率损耗。

5.4 电容选择

(V{IN})和(V{OUT})电容的作用是抑制开关电源中不连续电流引起的电压纹波。通常采用多个电容并联的方式，以实现高电容值和低等效串联电阻（ESR）。对于(V{IN})电容，在降压模式下，不连续的(V{IN})电流较大，因此需要选择具有低ESR和足够容量的电容，以确保能够处理最大RMS电流，并减少电压纹波。对于(V{OUT})电容，在升压模式下，不连续的(V{OUT})电流较大，同样需要低ESR和足够容量的电容来减少电压纹波。陶瓷电容具有良好的低ESR特性，可以放置在调节器的输入和输出端，以抑制高频开关尖峰。

5.5 肖特基二极管选择

肖特基二极管（D1、D2、D3、D4）在正向传导和反向传导过程中起到了重要的作用。在功率MOSFET开关导通的死区时间内，肖特基二极管导通，防止同步开关的体二极管导通并存储电荷，从而提高转换器的效率，减少开关的功率损耗和电感电流检测电阻的噪声。在选择肖特基二极管时，对于高输入或输出电压的应用，应避免选择具有过高反向泄漏电流的二极管，特别是在高温环境下。同时，应选择具有较低热阻的封装，以减少二极管的自热。

5.6 顶部MOSFET驱动器电源组件选择

顶部MOSFET驱动器（TG1和TG2）由浮动的自举电容(C{B1})和(C{B2})供电，这些电容通常通过外部硅二极管(D{B1})和(D{B2})在相应的顶部MOSFET关闭时充电。电容需要存储大约100倍于顶部开关M1和M4所需的栅极电荷。在大多数应用中，0.1μF到0.47μF的X5R或X7R介质电容就足够了。(GATEV{CC})到地的旁路电容应至少是(C{B1})或(C{B2})电容的10倍。对于硅二极管(D{B1})和(D{B2})，建议选择具有高于(V{IN(MAX)})和(V_{OUT(MAX)})的反向击穿电压额定值，并且在最大工作结温下反向泄漏电流小于1mA的二极管，以防止热失控。

六、设计示例分析

下面以一个具体的设计示例来说明如何使用LT8708进行电路设计。

6.1 设计参数

• (V_{IN})范围：8V到25V
• (V_{IN})调节电压（由FBIN环路设置）：12V
• (V_{OUT})调节电压（由FBOUT设置）：12V
• (I_{OUT(MAX, FWD)})：5A
• (I_{IN(MAX, RVS)})：3A
• 开关频率：150kHz
• 工作模式：CCM
• 最大环境温度：60°C

6.2 设计步骤

6.2.1 功率流验证

首先，根据设计参数确定Table 6(a)中适用的条件。在这个设计示例中，VINHIMON和VOUTLOMON被禁用，因此需要关注特定的条件。然后，使用Table 6(b)检查每个适用条件下的功率流动是否符合预期。通过这种方式，可以确保在各种输入输出电压条件下，功率能够按照设计要求流动。

6.2.2 (R_{T})电阻选择

根据所需的开关频率