探索LTC7890：高性能双降压DC - DC开关调节器控制器的深度解析

在电子设计领域，电源管理芯片的性能往往直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天，我们就来深入探讨一款备受瞩目的电源管理芯片——LTC7890，一款专门为氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET）优化的高性能双降压DC - DC开关调节器控制器。

文件下载：LTC7890.pdf

1. LTC7890的卓越特性

1.1 专为GaN FET优化

LTC7890采用了完全针对GaN FET优化的驱动技术，这使得它在驱动GaN FET时能够充分发挥其性能优势。同时，它无需额外的续流、钳位或自举二极管，简化了电路设计，降低了成本和电路板空间。内部的智能自举开关能够防止高端驱动器电源过充电，保护顶部GaN FET的栅极。

1.2 宽输入输出电压范围

其输入电压范围为4V至100V，输出电压范围为0.8V至60V，能够满足多种不同应用场景的需求。无论是工业电源系统、军事航空电子设备还是电信电源系统，LTC7890都能稳定工作。

1.3 低静态电流

在48V输入至5V输出，通道1开启的情况下，静态电流低至5μA，这对于需要长时间待机的设备来说至关重要，能够有效降低功耗，延长电池续航时间。

1.4 灵活的频率控制

可编程频率范围为100kHz至3MHz，并且可以同步到外部时钟，还支持扩频频率调制，有助于降低电磁干扰（EMI），提高系统的电磁兼容性。

2. 电气特性详解

2.1 输入输出参数

输入电源的工作范围为4V至100V，在不同的输入输出条件下，静态电流表现良好。例如，在48V至5V无负载，RUN2 = 0V的情况下，总静态电流为5μA；在14V至3.3V无负载，RUN2 = 0V的情况下，总静态电流为14μA。输出电压设定点范围为0.8V至60V，并且能够精确调节。

2.2 门驱动器特性

门驱动器的导通电阻、上升时间、下降时间等参数都有明确的规定。例如，TGxxx或BGxxx的导通电阻在DRVSET = INTVCC时，上拉为2.0Ω，下拉为1.0Ω；BOOSTx至DRVCC开关的导通电阻为7Ω。这些参数的优化有助于提高开关速度和效率。

2.3 其他特性

还包括欠压锁定（UVLO）、固定频率、可编程频率、同步频率范围等特性，这些特性使得LTC7890在不同的应用场景中都能灵活配置，满足各种需求。

3. 引脚配置与功能

3.1 引脚功能概述

LTC7890共有40个引脚，每个引脚都有其特定的功能。例如，FREQ引脚用于控制内部电压控制振荡器（VCO）的频率；MODE引脚用于选择轻载时的工作模式；PLLIN/SPREAD引脚用于外部同步输入或扩频使能等。

3.2 关键引脚详解

• DTCA和DTCB引脚：用于控制死区时间，可通过配置这两个引脚将死区时间从接近零调整到60ns，从而优化开关性能。
• RUNx引脚：用于控制通道的开启和关闭，当RUNx引脚电压低于1.08V时，该通道的控制器停止开关；当RUN1和RUN2引脚电压都低于0.7V时，LTC7890进入关机状态，静态电流降至约1μA。
• TRACK/SSx引脚：用于外部跟踪/软启动输入，通过连接电容到地，可以实现输出电压的软启动，避免启动时的电流冲击。

4. 工作原理剖析

4.1 主控制环路

LTC7890采用恒定频率、峰值电流模式架构，两个控制器通道相位相差180°，这有助于减少所需的输入电容和电源引起的噪声。在正常工作时，外部顶部FET在时钟置位SR锁存器时开启，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在顶部FET关闭后开启，电感电流减小。

4.2 电源和偏置电源

INTVCC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，DRVCC引脚为FET驱动器供电，必须连接到INTVCC引脚。VIN和EXTVCC引脚都有LDO线性稳压器为INTVCC提供电源，通过DRVSET引脚可以将INTVCC电压编程为4V至5.5V。

4.3 死区时间控制

通过配置DTCA和DTCB引脚，可以精确控制死区时间。将DTCA引脚接地可实现自适应死区时间控制，将其连接到INTVCC可实现智能接近零死区时间控制；DTCB引脚的配置同理。

4.4 轻载操作模式

LTC7890可以在轻载时选择进入高效突发模式（Burst Mode）、恒定频率脉冲跳过模式（Pulse Skipping Mode）或强制连续导通模式（Forced Continuous Mode）。不同的模式具有不同的特点，例如突发模式在轻载时效率最高，但不能同步到外部时钟；强制连续模式输出电压纹波低，但轻载效率较低；脉冲跳过模式则在轻载效率和输出纹波之间取得了较好的平衡。

4.5 频率选择与同步

通过FREQ引脚可以选择自由运行的开关频率，将FREQ引脚接地选择370kHz，连接到INTVCC选择2.25MHz，也可以通过在FREQ和地之间连接电阻将频率编程为100kHz至3MHz。此外，通过PLLIN/SPREAD引脚可以实现扩频模式和相位锁定环（PLL）功能。

5. 应用信息与设计要点

5.1 外部组件选择

• 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，合理的纹波电流起始值为ΔIL = 0.3 × IL(MAX)，同时要考虑电感值对纹波电流和低电流操作的影响。
• 电流感测选择：LTC7890可以配置为使用电感直流电阻（DCR）感测或低值电阻感测。DCR感测节省成本且更节能，尤其在高电流应用中；而电流感测电阻则能提供更精确的电流限制。
• 功率FET选择：需要选择两个外部功率FET，一个用于顶部开关，一个用于底部开关。选择时要考虑导通电阻、米勒电容、输入电压和最大输出电流等因素。
• 输入输出电容选择：输入电容的选择基于输入网络的最坏情况均方根电流，输出电容的选择主要考虑等效串联电阻（ESR），以确保输出纹波在可接受的范围内。

5.2 输出电压设置

通过外部反馈电阻分压器可以精确设置输出电压，公式为VOUT = 0.8(1 + (RB / RA))V。同时，要注意将反馈电阻靠近VFBx引脚放置，以减少PCB走线长度和噪声。

5.3 软启动与跟踪

通过TRACK/SSx引脚可以实现软启动功能，通过连接电容到地，内部12μA电流源对电容充电，使输出电压平滑上升。也可以通过电阻分压器将TRACK/SSx引脚连接到另一个电源，实现输出电压跟踪另一个电源的启动过程。

5.4 故障保护

LTC7890具有过压保护、过流保护和过温保护等功能。当输出电压超过设定值的10%时，顶部FET关闭；当输出电压低于额定值的70%时，进入折返电流限制模式；当内部芯片温度超过180°C时，INTVCC LDO稳压器和门驱动器关闭，当温度降至160°C时，重新启动。

6. PCB布局要点

6.1 布局原则

• 顶部N沟道FET应彼此靠近，且漏极连接到CIN，避免输入去耦分离。
• BGUPx和BGDNx、TGUPx和TGDNx的走线应靠近FET栅极，以确保死区时间控制的准确性。
• 组合的IC GND引脚和CINTVCC的GND返回应连接到COUT的负端，输入电容和输出电容应靠近放置。
• VFBx引脚的电阻分压器应连接到COUT的正端和信号GND，且靠近VFBx引脚放置，以减少噪声耦合。
• SENSEX和SENSEX +的走线应靠近，且远离高频开关节点，滤波电容应靠近IC。
• INTVCC去耦电容应靠近IC放置，DRVCC和GND引脚旁应放置1μF陶瓷电容以改善噪声性能。
• 开关节点、顶部栅极节点和升压节点应远离敏感小信号节点，以减少干扰。

6.2 布局调试

在调试PCB布局时，应先逐个检查控制器的性能，使用电流探头监测电感电流，监测输出开关节点以同步示波器，并检查输出电压。注意检查占空比的稳定性，避免出现噪声拾取或环路补偿不足的问题。

7. 设计实例

假设输入电压VIN(NOMINAL) = 12V，VIN(MAX) = 22V，输出电压VOUTx = 3.3V，输出电流IOUT = 20A，工作频率f = 1MHz。设计步骤如下：

1. 设置工作频率：通过在FREQ引脚和地之间连接电阻，电阻值为37MHz / 1MHz = 37kΩ。
2. 确定电感值：根据公式L = VOUT / (f(ΔIL))(1 - VOUT / VIN(NOMINAL))，选择电感值为0.4μH。
3. 验证最小导通时间：计算最小导通时间tON(MIN) = VOUT / (VIN(MAX) × f) = 150ns，满足最小导通时间要求。
4. 选择RSENSE电阻值：根据峰值电感电流和最大电流感测阈值，选择RSENSE ≤ 45mV / 23A ≅ 2mΩ。
5. 选择反馈电阻：对于50μA的反馈分压器电流，RA = 0.8V / 50μA = 16kΩ，RB = RA(3.3V / 0.8V - 1) = 50kΩ。
6. 选择FET：由于是高电流、低电压应用，选择导通电阻较低的FET以降低I²R损耗。
7. 选择输入输出电容：CIN选择均方根电流额定值至少为10A的电容，COUT选择ESR为3mΩ的电容。
8. 确定偏置电源组件：由于输出电压不大于EXTVCC切换阈值，若有5V电源，可将其连接到EXTVCC以提高效率。选择0.1μF的电容用于TRACK/SSx引脚实现6.7ms的软启动。
9. 设置应用特定参数：根据轻载效率和恒定频率操作的权衡设置MODE引脚，根据需要设置PLLIN/SPREAD引脚，使用ITHx补偿组件并检查瞬态响应以确保稳定性。

8. 总结

LTC7890是一款功能强大、性能卓越的电源管理芯片，它为电子工程师提供了丰富的功能和灵活的配置选项。在设计过程中，我们需要全面考虑其电气特性、引脚功能、工作原理以及应用信息等方面，合理选择外部组件，优化PCB布局，以确保系统的稳定性和效率。同时，通过实际的设计实例，我们可以更好地理解和应用LTC7890，为各种应用场景提供可靠的电源解决方案。

你在使用LTC7890的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。