LTC7806：高性能2相单输出同步升压控制器的设计与应用

在电子工程师的日常工作中，选择合适的电源管理芯片对于设计的成功至关重要。LTC7806作为一款高性能的2相单输出同步升压控制器，在诸多应用场景中展现出了卓越的性能。今天，我们就来深入探讨一下LTC7806的特性、工作原理以及应用设计要点。

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一、LTC7806的特性亮点

1. 2相操作优势

LTC7806采用2相操作，这一特性大大降低了所需的输入和输出电容，同时减少了电源引起的噪声。与单相同步升压控制器相比，2相操作允许使用更小的电感，并且提高了效率，减少了散热需求。

2. 宽输入电压范围

其输入电压范围为4.5V至40V，启动后甚至可以低至1V运行，输出电压最高可达40V。这种宽输入电压范围使得LTC7806适用于各种不同的电源环境。

3. 低静态电流

低工作静态电流仅为18μA，关机时静态电流更是低至1.5μA，这对于电池供电系统来说尤为重要，可以有效延长电池的使用寿命。

4. 同步整流与PassThru功能

同步整流提高了效率，减少了功率损耗，而PassThru功能在汽车启停应用中可以将损耗降至最低。

5. 频率灵活性

具有可编程固定频率（100kHz至3MHz）和锁相频率（100kHz至3MHz）的功能，还支持扩频操作，可有效降低电磁干扰（EMI）。

6. 多种轻载操作模式

可选择连续、脉冲跳过或低纹波Burst Mode®操作，以满足不同应用场景下对效率和输出纹波的要求。

二、工作原理剖析

1. 主控制回路

LTC7806采用恒定频率、峰值电流模式架构，两个通道以180°异相运行。在正常操作中，主开关（外部底部MOSFET）在时钟信号使SR锁存器置位时导通，电感电流增加；当主电流比较器ICMP使SR锁存器复位时，主开关关闭。之后，同步开关（外部顶部MOSFET）导通，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。

2. 电源与偏置供应

INTVCC引脚为顶部和底部MOSFET驱动器以及大部分内部电路供电。VBIAS和EXTVCC引脚的LDO可提供5.4V的INTVCC电源。当EXTVCC引脚电压低于4.65V时，VBIAS LDO供电；当EXTVCC引脚电压高于4.65V时，EXTVCC LDO供电。

3. 关机与启动

通过拉低RUN引脚至1.1V以下可关闭主控制回路，拉低至0.7V以下可禁用大部分内部电路，此时静态电流仅为1.5μA。启动时，SS引脚控制输出电压的软启动，通过内部12.5μA的上拉电流对外部电容充电，使输出电压平滑上升。

4. 轻载操作模式

• Burst Mode：效率最高，电感电流不允许反向，在轻载时进入低电流睡眠模式。
• 强制连续模式：电感电流在轻载时允许反向，输出电压纹波低，对音频电路干扰小。
• 脉冲跳过模式：在轻载时保持恒定频率操作，输出纹波和音频噪声较低，效率介于Burst Mode和强制连续模式之间。

5. 频率选择与锁相环

通过FREQ引脚选择自由运行的开关频率，可在100kHz至3MHz之间编程。PLLIN/SPREAD引脚可实现锁相环功能，将内部振荡器与外部时钟源同步，还可启用扩频模式以改善EMI性能。

6. 多相应用

CLKOUT引脚可用于在多相系统中级联多个LTC7806，实现多相解决方案，进一步降低输入和输出电压纹波。

7. 过压模式选择

OVMODE引脚用于选择过压事件时的操作模式。接地时，启用过压保护，顶部MOSFET持续导通；接INTVCC时，禁用过压保护，控制器的行为取决于所选的操作模式。

三、应用设计要点

1. 电感选择

电感值的选择与工作频率密切相关。较高的工作频率允许使用较小的电感和电容值，但会降低效率。一般来说，合理的纹波电流设置为ΔIL = 0.3 · IL(MAX)，最大纹波电流发生在VIN = VOUT / 2时。同时，要考虑电感的饱和电流，避免电感饱和导致输出电压纹波增大。

2. 电流感测选择

LTC7806可配置为使用DCR（电感电阻）感测或低值电阻感测。DCR感测节省成本且功率效率高，但电流感测电阻提供更准确的电流限制。在选择时，要根据成本、功耗和精度进行权衡。

3. 工作频率设置

工作频率的选择是效率和组件尺寸之间的权衡。高频操作允许使用较小的电感和电容值，但会增加开关和栅极电荷损耗；低频操作可提高效率，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。

4. 轻载操作模式选择

根据应用需求选择合适的轻载操作模式。如果对效率要求较高，可选择Burst Mode；如果对输出电压纹波和音频噪声要求较低，可选择强制连续模式或脉冲跳过模式。

5. 功率MOSFET选择

为每个通道选择两个外部功率MOSFET，即底部（主）开关和顶部（同步）开关。要注意MOSFET的BVDSS规格和逻辑电平阈值，同时考虑导通电阻RDS(ON)、米勒电容CMILLER、输入电压和最大输出电流等因素。

6. CIN和COUT选择

2相架构降低了CIN和COUT的要求。输入电容CIN的电压额定值应超过最大输入电压，其值取决于源阻抗和占空比。输出电容COUT应根据输出电压纹波要求选择，要考虑ESR和体电容的影响。

7. PCB布局

PCB布局对LTC7806的性能至关重要。要将底部和顶部N通道MOSFET与COUT放置在一个紧凑的区域，保持信号和功率地分开，将VFB引脚的电阻分压器连接到COUT的(+)端子，将SENSE*和SENSE引脚的走线靠近，将INTVCC去耦电容靠近IC放置，避免开关节点和敏感小信号节点相互干扰。

四、设计实例

假设输入电压VIN = 12V（标称），范围为8V至20V，输出电压VOUT = 24V，最大电流IMAX = 8A（每相IOUT(MAX) = 4A），VSENSE(MAX) = 50mV，频率f = 1MHz。

• 频率设置：使用FREQ引脚连接一个37kΩ的电阻至地，以设置1MHz的开关频率。
• 电感选择：选择2.4μH的电感，可产生31%的纹波电流，峰值电感电流为9.25A。
• 电流感测电阻：计算得到等效Rsense电阻值约为0.004Ω，可选择更低的值以留有余量。
• 输出电压设置：可选择VPRG引脚浮空，使用1%的反馈电阻RA = 11.3k和RB = 215k设置输出电压；也可将VPRG引脚接地，直接将VFB引脚连接到VOUT，以节省组件成本并降低静态电流。
• MOSFET选择：底部MOSFET选择具有较高RDS(ON)和较低栅极电荷的器件，以减少过渡损耗；顶部MOSFET选择具有较低RDS(ON)和较高栅极电荷的器件，以减少I²R损耗。
• 输出电容：选择两个10µF的电容，可处理6A的RMS电流，ESR为0.0025Ω。
• 输入电容：选择一个4.7uF的陶瓷电容，可吸收0.72A的RMS电感纹波电流。
• 软启动电容：选择0.1μF的电容用于SS引脚，实现10ms的软启动。

五、总结

LTC7806作为一款高性能的2相单输出同步升压控制器，具有众多优秀的特性和灵活的应用设计。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择电感、电流感测方式、工作频率、轻载操作模式、功率MOSFET、输入和输出电容等组件，并注意PCB布局的合理性，以确保设计的稳定性和高效性。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师更好地理解和应用LTC7806，设计出更优秀的电源管理电路。

你在使用LTC7806的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。