深度解析LTC7892：高性能双路升压控制器的卓越之选

一、引言

在电子设备的电源管理领域，对于高性能、高效率的升压控制器的需求始终不断攀升。特别是在面对氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET）的应用时，传统的控制器往往暴露出各种挑战。而Analog Devices推出的LTC7892双路同步升压控制器，凭借其专为GaN FET优化的驱动技术，以及一系列出色的特性，为电源设计带来了全新的解决方案。

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二、LTC7892的特性与优势

2.1 GaN驱动技术的优化

LTC7892采用了完全针对GaN FET优化的驱动技术。这种技术使得LTC7892在驱动GaN FET时能够充分发挥其性能优势，不仅有效地减少了开关损耗，还显著提高了系统的整体效率。相较于传统的MOSFET解决方案，LTC7892无需额外的保护二极管和其他外部组件，大大简化了电路设计，降低了成本和电路板空间的占用。

2.2 宽电压范围与低静态电流

该控制器具有宽输入电压范围（4V至60V），并且在启动后能够低至1V继续工作，输出电压最高可达100V，这使得它能够适应各种不同的应用场景。同时，其低静态电流（15μA）特性，在轻负载时能够有效降低功耗，延长电池的使用寿命，对于需要长时间待机的设备来说至关重要。

2.3 灵活的死区时间控制与驱动强度调整

LTC7892的死区时间可以通过外部电阻进行调整，范围在7ns到60ns之间。这种灵活的死区时间控制有助于优化开关性能，减少开关损耗，提高系统的效率。此外，其分裂输出栅极驱动器可以独立调整导通和关断驱动强度，进一步提高了控制器对不同类型FET的兼容性和适应性。

2.4 可调的驱动电压与欠压锁定

LTC7892的栅极驱动电压可以精确地从4V调整到5.5V，这使得它能够适应不同类型的GaN FET甚至逻辑电平MOSFET的使用，优化了系统的性能。同时，其精确的欠压锁定（UVLO）功能可以确保在电源电压低于设定阈值时，控制器能够自动关闭，保护系统免受损坏。

2.5 可编程频率与频谱扩展功能

控制器的工作频率可以在100kHz至3MHz之间进行编程，并且支持同步功能。此外，频谱扩展功能可以有效地降低电磁干扰（EMI），提高系统的电磁兼容性，满足各种应用场景对EMI的要求。

三、工作原理剖析

3.1 主控制环路

LTC7892采用了恒定频率、峰值电流模式架构的双路同步升压控制。两个控制通道相差180°相位工作，这种设计有效地减少了所需的输入电容和电源产生的噪声。在正常工作时，外部底部FET在时钟置位SR锁存器时导通，使电感电流增加；当主电流比较器ICMP复位SR锁存器时，主开关关闭。底部FET每个周期关闭后，顶部FET导通，使电感电流减小，直到电感电流开始反向或下一个时钟周期开始。

3.2 电源与偏置供应

LTC7892的引脚为顶部和底部FET驱动器以及大部分内部电路提供电源。FET驱动器的电源来自DRV引脚，该引脚必须连接到INTV引脚以向栅极驱动器供电。VBIAS和EXTV引脚提供低压差线性稳压器（LDO），可以为INTV提供电源，通过DRVSET引脚的控制，INTV的电压可以在4V至5.5V之间进行编程。当EXTV引脚的电压低于其切换电压时，VBIAS LDO为INTV供电；当EXTV引脚的电压高于其切换电压时，EXTV LDO开启，为INTV供电。

3.3 高端自举电容

每个顶部FET驱动器由浮动自举电容CB偏置，当底部FET导通时，CB通常通过BOOSTx和DRV之间的内部开关进行充电。当底部FET关闭时，内部开关呈现高阻抗，防止在死区时间内SWx低于地电位时自举电容过充。

四、应用信息与设计考量

4.1 电感选择与计算

电感值的选择与工作频率密切相关。较高的工作频率可以使用较小的电感和电容值，但会增加FET的开关和栅极电荷损耗，降低效率。因此，在选择电感时，需要综合考虑工作频率、纹波电流和低电流操作等因素。电感纹波电流的计算公式为： [ Delta I{L}=frac{1}{f cdot L} V{IN}left(1-frac{V{IN}}{V{OUT }}right) ] 一般来说，合理的纹波电流起始值可以设定为ΔIL = 0.3·IL(MAX)。在选择电感时，还需要注意电感的类型，对于高效率的调节器，通常需要使用铁氧体或钼坡莫合金等低损耗的磁芯材料。

4.2 电流感测方案

LTC7892可以配置为使用电感直流电阻（DCR）感测或低值电阻感测。DCR感测可以节省昂贵的电流感测电阻，并且在高电流应用中更具功率效率；而电流感测电阻则可以为控制器提供最准确的电流限制。在选择电流感测方案时，需要综合考虑成本、功耗和准确性等因素。

4.3 工作频率与轻载操作模式选择

工作频率的选择需要在效率和组件尺寸之间进行权衡。较高的频率可以使用较小的电感和电容值，但会增加开关和栅极电荷损耗；较低的频率可以提高效率，但需要更大的电感值和/或更多的输出电容来保持低输出纹波电压。LTC7892可以设置为在轻负载电流时进入高效突发模式（Burst Mode）、恒定频率脉冲跳跃模式（PS模式）或强制连续传导模式（FCM）。在选择轻载操作模式时，需要根据应用的具体需求来决定。例如，突发模式在轻负载时具有最高的效率，但输出电压纹波较大；FCM的输出电压纹波较小，但在轻负载时效率较低；PS模式则在轻负载效率、输出纹波和EMI之间取得了较好的平衡。

4.4 输出电压设置与软启动

LTC7892的输出电压通过外部反馈电阻分压器进行设置，计算公式为： [ V{OUT }=1.2 Vleft(1+frac{R{B}}{R_{A}}right) ] 在设置输出电压时，需要注意将反馈电阻靠近V引脚放置，以减少PCB走线长度和敏感节点的噪声干扰。同时，LTC7892的软启动功能可以通过SSx引脚实现，当SSx引脚的电压低于内部1.2V参考电压时，控制器将VFBx引脚的电压调节到SSx引脚的电压，从而实现输出电压的平滑上升。

五、设计示例分析

假设一个应用中，标称输入电压VIN(NOMINAL) = 12V，输出电压VOUTx = 24V，输出电流IOUT = 4A，工作频率f = 1MHz。以下是设计该应用电路的步骤：

5.1 设定工作频率

由于工作频率不是内部预设值，需要在FREQ引脚和地之间连接一个电阻，电阻值可以根据以下公式计算： [ R{FREQ}( in k Omega)=frac{37 MHz}{f{osc }} = 37kOmega ]

5.2 确定电感值

首先选择一个基于电感纹波电流为30%的值，然后根据公式计算电感值： [ L=frac{V{IN}}{f cdot Delta I{L}}left(1-frac{V{IN}}{V{OUT }}right)=2.4 mu H ]

5.3 验证最小导通时间

需要验证最小导通时间是否满足要求，计算公式为： [ t{ON(MIN)}{OUT}-V{IN}}{V{OUT} cdot f} ] 在本设计中，最小导通时间为166ns，大于LTC7892的最小导通时间（约100ns），满足要求。

5.4 选择感测电阻值

峰值电感电流为最大直流输出电流加上一半的电感纹波电流，即9.24A。根据最小的最大电流感测阈值（45mV），计算感测电阻值： [ R_{SENSE } leq frac{45 mV}{9.24 A} approx 4 m Omega ]

5.5 选择反馈电阻

选择1%精度的电阻，RA = 5kΩ，RB = 95.3kΩ，可以得到输出电压为24.07V。

5.6 选择FET

根据应用的特点，选择具有较低RDS(ON)的FET，以减少I2R损耗。对于顶部FET，通常选择具有较低RDS(ON)和较高栅极电荷的FET。

5.7 选择输出电容

COUT用于过滤输出电流中的纹波，建议选择低ESR（5mΩ）的电容，以限制输出电压纹波。

5.8 确定偏置电源组件

如果有一个高于INTV调节电压且低于VIN的电源，例如8.5V电源，可以将其连接到EXTV CC引脚，以提高效率。对于6.7ms的软启动时间，选择一个0.1μF的电容连接到SSx引脚。

六、结论

LTC7892作为一款高性能的双路同步升压控制器，为使用氮化镓FET的电源设计提供了一个强大而灵活的解决方案。其优化的GaN驱动技术、宽电压范围、低静态电流、灵活的死区时间控制和驱动强度调整等特性，使得它在各种应用中都能够发挥出卓越的性能。在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，综合考虑电感选择、电流感测方案、工作频率和轻载操作模式等因素，以设计出高效、可靠的电源系统。同时，通过遵循PCB布局检查表和调试方法，可以确保电路的正常运行和性能优化。大家在使用LTC7892进行设计时，是否也遇到过一些挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。