LT8350S：高性能同步降压 - 升压转换器的设计与应用

一、引言

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。LT8350S作为一款具有卓越性能的同步降压 - 升压转换器，凭借其独特的架构和丰富的功能，在汽车、工业、电信等多个领域得到了广泛应用。本文将深入剖析LT8350S的特点、工作原理、应用设计等方面，为电子工程师提供全面的设计参考。

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二、产品概述

2.1 主要特性

• 4开关单电感架构：允许输入电压高于、低于或等于输出电压，实现了灵活的电压转换。
• Silent Switcher® 2架构：有效降低电磁干扰（EMI），适用于对EMI要求严格的应用场景。
• 高效率：在2MHz的开关频率下，效率可达95%，有助于降低功耗。
• 宽输入输出电压范围：输入电压范围为3V - 40V，输出电压范围为1V - 18V，满足多种应用需求。
• 精准的电压和电流调节：输出电压调节精度为±1.5%，并具备输出/输入电流调节和监测功能。
• 其他特性：包括高侧PMOS负载开关驱动、固定开关频率（200kHz - 2MHz）、外部频率同步和扩频频率调制（SSFM）等。

2.2 应用领域

• 汽车、工业、电信系统：为这些系统提供稳定的电源供应。
• 高精度电流限制的电压调节器：确保系统在不同负载下的稳定运行。
• 高频电池供电系统：适用于对电源效率和体积要求较高的电池供电设备。
• USB Power Delivery（USB - PD）源：满足USB - PD协议的电源需求。

三、电气特性

3.1 输入输出特性

• 输入电压范围：在 - 40°C至125°C的温度范围内，输入电压范围为3V - 40V。
• 输入关机电流：当EN/UVLO引脚电压为0.3V时，输入关机电流典型值为2µA，最大值为5µA。
• 输入活动电流：在不同条件下，输入活动电流有所不同，如EN/UVLO = 1.5V，EXTVCC = 0V时，典型值为3.5mA，最大值为5mA。
• 输出电压范围：同样在 - 40°C至125°C的温度范围内，输出电压范围为1V - 18V。

3.2 线性调节器特性

• INTVCC调节电压：当IINTVCC = 20mA时，调节电压典型值为3.6V，范围在3.4V - 3.8V之间。
• VREF调节电压：在 - 40°C至125°C的温度范围内，当IVREF = 100µA时，调节电压典型值为2.00V，范围在1.99V - 2.03V之间。

3.3 电流和电压调节特性

• 全量程电流调节：在不同条件下，全量程电流调节电压典型值为100mV，范围在97mV - 103mV之间。
• FB调节电压：在 - 40°C至125°C的温度范围内，当VC = 0.8V时，FB调节电压典型值为1.00V，范围在0.985V - 1.015V之间。

3.4 其他特性

• 开关电流限制：峰值升压电流模式下，最大开关电流限制典型值为7.0A，范围在6.3A - 7.7A之间；峰值降压电流模式下，典型值为7.0A，范围在5.8A - 8.0A之间。
• 开关导通电阻：不同开关的导通电阻在不同电流下有相应的典型值，如开关A和B在ISW = 1A时，导通电阻典型值为50mΩ。

四、绝对最大额定值和ESD特性

4.1 绝对最大额定值

• 各引脚的电压范围有明确限制，如VIN、EN/UVLO、ISP、ISN引脚的电压范围为 - 0.3V至42V，VOUT、EXTVCC引脚的电压范围为 - 0.3V至20V等。
• 工作结温范围为 - 40°C至125°C，存储温度范围为 - 65°C至150°C。

4.2 ESD特性

• 人体模型（HBM）的ESD耐受阈值为±4000V，充电设备模型（CDM）的ESD耐受阈值为±1250V。在使用过程中，需采取适当的ESD防护措施，以避免芯片受损。

五、典型工作特性

5.1 效率与负载电流关系

通过不同区域（降压、降压 - 升压、升压）的效率与负载电流曲线，可以看出在不同负载情况下的效率变化。在轻负载时，可通过配置使芯片工作在强制连续传导模式或不连续传导模式，以提高效率。

5.2 其他特性曲线

还给出了如VIN关机电流、VIN活动电流、VREF电压与温度的关系，以及其他参数随温度或其他变量的变化曲线，这些曲线有助于工程师在不同工作条件下准确评估芯片性能。

六、引脚配置和功能描述

6.1 引脚配置

LT8350S采用32引脚LQFN封装，各引脚具有不同的功能，如VIN为输入电压引脚，EN/UVLO为使能和欠压锁定引脚，INTVCC为内部3.6V线性调节器输出引脚等。

6.2 引脚功能

每个引脚都有其特定的功能和使用注意事项，例如EN/UVLO引脚可用于控制芯片的开关机，LOADEN引脚可控制高侧PMOS负载开关的通断等。工程师在设计时需根据具体需求合理连接和使用这些引脚。

七、工作原理

7.1 整体架构

LT8350S是一款电流模式DC/DC转换器，通过四个内部低电阻N沟道双扩散金属 - 氧化物 - 半导体（DMOS）开关实现电压转换。内部高侧栅极驱动器简化了设计过程，采用ADI专有的峰值电流模式控制方案，可实现降压、降压 - 升压和升压区域之间的平滑过渡。

7.2 功率开关控制

根据输入电压与输出电压的比值，芯片有四种工作状态：

• 峰值降压 - 降压区域：当VIN远高于VOUT时，开关C始终关闭，开关D始终打开，开关A和B交替工作，类似于典型的同步降压调节器。
• 峰值降压 - 降压 - 升压区域：当VIN略高于VOUT时，开关C在每个周期的前20%打开，开关D在剩余80%打开，开关A和B根据电感电流情况交替工作。
• 峰值升压 - 降压 - 升压区域：当VIN略低于VOUT时，开关A在每个周期的前80%打开，开关B在剩余20%打开，开关C和D根据电感电流情况交替工作。
• 峰值升压 - 升压区域：当VIN远低于VOUT时，开关A始终打开，开关B始终关闭，开关C和D交替工作，类似于典型的同步升压调节器。

7.3 主控制环路

芯片通过直接感测内部开关A上的电感电流，并将其与内部振荡器的斜坡补偿信号相加，然后输入到降压电流比较器A1和升压电流比较器A2的正端。A1和A2的负端由VC引脚的电压控制，该电压是误差放大器EA1和EA2的二极管或输出。根据峰值降压或峰值升压电流模式控制状态，由降压逻辑或升压逻辑控制四个功率开关，以实现FB电压调节到1V或ISP和ISN引脚之间的电流感测电压由CTRL引脚调节。

7.4 轻负载电流操作

在轻负载时，芯片可配置为强制连续传导模式或不连续传导模式。在不连续传导模式下，通过设置正的降压和升压反向电流感测阈值，防止输出到输入的反向电流。当负载进一步降低或使用较小电感时，芯片可能进入脉冲跳过模式。

7.5 内部充电路径

两个高侧栅极驱动器分别由其浮动自举电容CBST1和CBST2偏置，当底部功率开关打开时，通过集成自举二极管D1和D2由INTVCC对其进行充电。在芯片仅在降压或升压区域工作时，内部充电路径可确保自举电容充电到3.3V以上，以保持顶部功率开关导通。

7.6 关机和上电复位

当EN/UVLO引脚电压低于关机阈值（最小值0.3V）时，芯片进入关机模式，静态电流小于2µA（典型值）。当EN/UVLO引脚电压高于关机阈值（最大值0.9V）时，芯片唤醒启动电路，生成带隙参考，并为内部INTV LDO供电。当INTV引脚电压高于上升的UVLO阈值（典型值2.52V），EN/UVLO引脚通过上升使能阈值（典型值1.235V），且结温低于热关断温度（典型值165°C）时，芯片进入使能模式，经过上电复位（POR）后，等待CTRL和LOADEN引脚信号开始开关操作。

7.7 启动和故障保护

芯片的启动和故障保护过程较为复杂，通过SS引脚和其他信号的配合，实现软启动和故障检测、处理。在不同状态下，芯片会根据SS引脚电压和其他条件进行相应的操作，如在输出短路情况下，可通过连接不同电阻设置打嗝、锁存关闭或持续运行的故障保护模式。

八、应用设计指南

8.1 开关频率选择

开关频率的选择是效率和元件尺寸之间的权衡。低频操作可降低MOSFET开关损耗，提高效率，但需要更大的电感和电容值；高频操作可减小总解决方案尺寸，适用于低功率应用。在噪声敏感系统中，需选择合适的开关频率以避免干扰敏感频段。

8.2 开关频率设置

通过将SYNC/MODE引脚拉低至地，并连接一个从RT引脚到地的电阻来设置开关频率。文档提供了常见开关频率对应的RT电阻值表。

8.3 扩频频率调制

LT8350S采用三角形扩频频率调制方案，通过将SYNC/MODE引脚连接到INTVcc，可将开关频率在内部振荡器频率基础上扩展23%（典型值），从而改善EMI性能。

8.4 频率同步和操作模式选择

芯片的开关频率可通过SYNC/MODE引脚与外部时钟同步，推荐使用10% - 90%占空比的波形驱动该引脚。SYNC/MODE引脚还有四种可选模式，可根据不同需求优化性能。

8.5 最大输出电流

芯片为恒压、恒流和降压 - 升压转换器，输出电压可调节至电流限制阈值，该阈值由CTRL引脚电压和ISP/ISN引脚之间的电流感测电阻设置。实际应用中，最大输出电流受应用的热约束和最大开关电流限制。

8.6 电感选择

电感值与开关频率相关，较高的开关频率允许使用较小的电感和电容值。电感值直接影响纹波电流，可根据不同区域的公式计算最小电感值。为保证稳定性，还需考虑斜率补偿所需的最小电感值。同时，应选择低磁芯损耗、低直流电阻、能承受峰值电感电流且不饱和度的电感，并使用屏蔽电感以减少辐射噪声。

8.7 (C{IN})和(C{out})选择

输入和输出电容用于抑制调节器中不连续电流引起的电压纹波，通常采用电容器的并联组合以实现高电容和低等效串联电阻（ESR）。陶瓷电容器应放置在调节器输入和输出附近，以抑制高频开关尖峰。输入电容需确保具有足够低的ESR和能处理最大RMS电流的容量；输出电容需考虑ESR和大容量电容对输出电压纹波的影响。

8.8 编程(V_{IN}) UVLO

通过从(V{IN})到EN/UVLO引脚的电阻分压器实现(V{IN})欠压锁定（UVLO），可根据公式计算可编程的UVLO阈值。

8.9 编程输入或输出电流限制

通过在输入或输出功率路径中放置合适的电流感测电阻RIS，并将CTRL引脚连接到高于1.35V的电压，可实现输入或输出电流限制。CTRL引脚电压不同时，电流感测阈值的计算方式不同。

8.10 ISMON电流监测

ISMON引脚提供流经ISP/ISN电流感测电阻RIS的电流的缓冲监测输出，其电压可根据公式计算。在并联应用中，主LT8350S的ISMON引脚可直接连接到从LT8350S的引脚以实现均流。

8.11 LOAD开关控制

LOADEN和LOADTG引脚提供高侧p沟道金属 - 氧化物 - 半导体（PMOS）负载开关控制。LOADEN引脚接受逻辑电平的开关信号，驱动LOADTG引脚控制高侧PMOS负载开关的通断，从而连接或断开LT8350S的电源输出与系统输出。

8.12 编程输出电压和阈值

通过FB引脚可编程恒定电压输出，根据公式选择R3和R4的值可设置输出电压。FB引脚还可设置输出过压阈值、输出功率良好阈值和输出短路阈值。

8.13 功率良好（PGOOD）引脚

PGOOD引脚为开漏状态引脚，当(V_{FB})在1V调节电压的±10%范围内时，该引脚被拉低。可通过外部电阻将其上拉至INTVcc或最高5V的外部电压源。

8.14 软启动和故障保护

通过将SS引脚连接到地的外部电容可实现软启动，内部12.5µA的上拉电流对电容充电，使输出电压平滑上升。SS引脚还可作为故障定时器，通过连接不同电阻可设置三种不同的故障保护模式。

8.15 环路补偿

LT8350S使用内部跨导误差放大器，其输出Vc用于补偿控制环路。外部电感、输出电容以及补偿电阻和电容决定了环路稳定性。对于典型应用，Vc引脚的2.2nF补偿电容通常足够，且应使用串联电阻以提高Vc引脚的压摆率，从而在转换器输入电源快速瞬变时保持更严格的输出电压调节。

8.16 效率考虑

开关调节器的功率效率等于输出功率除以输入功率乘以100%。LT8350S电路中的主要损耗源包括DC (I^{2} R)损耗、过渡损耗、INTV电流以及(C{IN})和(C{OUT})损耗。分析这些损耗有助于确定效率限制因素，并采取相应措施提高效率。

九、典型应用电路

文档给出了两个典型应用电路，分别是96%高效的30W（12V，2.5A）、350kHz降压 - 升压电压调节器和USB - PD源 - 27W 5V，9V/3A固定PDO模式电路，为工程师提供了实际设计参考。

十、订购信息

提供了LT8350S的订购信息，包括不同型号的封装类型、引脚或球的表面处理、零件标记、MSL评级和温度范围等，方便工程师进行产品选型和采购。

十一、总结

LT8350S作为一款高性能的同步降压 - 升压转换器，具有众多优秀特性和丰富功能。电子工程师在设计过程中，需根据具体应用需求，合理选择开关频率、电感、电容等外部元件，准确设置各种参数，以实现最佳的性能和效率。同时，要充分考虑芯片的工作原理和保护机制，确保系统的稳定性和可靠性。通过深入了解LT8350S的特点和应用设计方法，工程师能够更好地利用这款芯片，开发出高质量的电子系统。