LT8210：高性能4开关同步降压 - 升压DC/DC控制器的深度剖析

在电子工程师的日常工作中，寻找一款性能卓越、功能丰富的DC/DC控制器是一项至关重要的任务。今天，我们就来深入探讨一款备受瞩目的产品——LT8210，它是一款能够在多种模式下高效运行的4开关同步降压 - 升压DC/DC控制器，为众多应用场景提供了强大的支持。

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一、产品概述

LT8210具有一系列令人瞩目的特性，使其在同类产品中脱颖而出。它支持引脚可选的直通或固定输出CCM、DCM、Burst Mode®操作，拥有可编程的非开关直通窗口，在直通模式下能实现高达99.9%的效率，且静态电流低至18pA。其输入电压范围为2.8V至100V（启动时为4.5V），输出电压范围为1V至100V，还具备反向输入保护功能，可承受 - 40V的反向电压。输出电压精度在 - 40°C至125°C的宽温度范围内达到±1.25%，电流监测精度为±3%，电流调节精度为±5%。此外，它采用10V四N沟道MOSFET栅极驱动器，EXTV CC LDO可从VOUT/外部电源轨为驱动器供电，具有±20%的逐周期电感电流限制，在降压或升压模式下无顶部MOSFET刷新噪声。开关频率固定/可锁相，范围为80kHz至400kHz，并支持扩频频率调制以降低EMI，还配备电源良好输出电压/过流监测功能，提供38引脚TSSOP和40引脚（6mm x 6mm）QFN封装。

二、关键特性详解

（一）直通模式

直通模式是LT8210的一大亮点。当输入电压在用户可编程窗口内时，输入可直接传递到输出，这不仅消除了开关损耗和EMI，还能最大限度地提高效率。对于输入电压高于或低于直通窗口的情况，降压或升压调节环路会分别将输出维持在设定的最大值或最小值。在直通模式下，典型的VIN和VINP引脚静态电流分别低至4µA和18µA，能够实现超过99.9%的效率。

（二）电压和电流精度

在宽温度范围（ - 40°C至125°C）内，输出电压精度达到±1.25%，这使得它在对电压稳定性要求较高的应用中表现出色。同时，±3%的准确电流监测和±5%的准确电流调节功能，为系统的电流控制提供了可靠的保障。

（三）MOSFET驱动和保护

10V四N沟道MOSFET栅极驱动器能够为外部MOSFET提供稳定的驱动电压。GATEV CC电压在I GATEVCC = 25mA时，典型值为10.6V，且具有内置的反向驱动保护功能，可在输入欠压时维持调节。此外，芯片还提供可选的反向输入保护功能，通过添加一个N沟道MOSFET，可实现低至 - 40V的反向输入保护。

（四）频率控制和EMI优化

开关频率可通过RT引脚在80kHz至400kHz范围内进行编程，用户可以根据具体应用需求进行灵活调整。同时，当SYNC/SPRD引脚连接到VDD时，可启用扩频频率调制功能，将开关频率在标称RT设定频率至其112.5%的范围内缓慢扩展，有效降低了电磁干扰。

三、工作模式

（一）连续导通模式（CCM）

在CCM模式下，当SS引脚电压超过2.5V（典型值）时，电感电流可反向流动。这种设计旨在防止在输出预偏置到非零电压时，启动期间出现大的负电感电流。一旦CCM模式启用，负电流感测限制的幅度大致等于正电流感测限制，确保电感电流在每个周期内得到有效限制。CCM模式的最大推荐开关频率为350kHz。

（二）不连续导通模式（DCM）

DCM模式可防止在低输出电流时电感电流反向。它通过检测SNSP1 - SNSN1电压是否低于反向电流阈值（典型值为3mV）来判断是否存在反向电流。当检测到反向电流时，开关B或D的导通时间将终止，从而提高轻载效率，并阻止输出电流大量回流到输入。

（三）Burst Mode®操作

Burst Mode®操作通过设置一个具有约25mV迟滞的VC1电平来控制开关活动。当输出电流较小时，VOUT上升会使VC1引脚电压低于阈值，暂时禁止开关操作；当VOUT下降且VC1上升约25mV时，开关操作将恢复。这种模式通过消除不必要的开关活动和相关功率损耗，提高了轻载效率，在非开关状态下，LT8210的电源电流可降至65µA（典型值）。

（四）直通模式

在直通模式下，降压和升压环路的输出电压（VOUT(BUCK)和VOUT(BOOST)）可独立编程。输出电压被调节在由VOUT(BOOST)定义的最小值和VOUT(BUCK)定义的最大值之间的窗口内。当VINP小于或等于VOUT(BOOST)时，升压环路控制电感电流并将输出调节到VOUT(BOOST)；当输入电压大于或等于VOUT(BUCK)时，降压环路控制电感电流并将输出调节到VOUT(BUCK)。在直通窗口边界附近，采用交错降压 - 升压开关以避免脉冲跳过。当输入电压在VOUT(BOOST)和VOUT(BUCK)之间时，输出电压将跟踪输入，此时LT8210进入节能模式。

四、外部组件选择

（一）RSENSE选择

RSENSE的选择基于所需的输出电流和输入电压范围。在降压区域，对于给定的最大输出电流IOUT(MAX)，RSENSE(BUCK)可通过公式[R{SENSE(BUCK)}=frac{50 mV}{I{OUT(MAX)}}]计算；在升压区域，使用VINP(MIN)，RSENSE(BOOST)可通过公式[R{SENSE(BOOST) }=frac{50 mV}{I{OUT(MAX) }} cdot frac{V{INP(MIN)}}{V{OUT }}]计算。通常建议在两个计算值中取较小值，并留出20%至30%的余量。

（二）电感选择

电感值与开关频率和纹波电流密切相关。一般来说，电感纹波电流∆I L设定为最大电感电流的20%至40%。为了维持所需的纹波，可分别为降压和升压区域计算最小电感值： [L{(BUCK) }>frac{V{OUT } cdotleft(V{IN(MAX) }-V{OUT }right)}{f{SW } cdot I{OUT(MAX) } cdot Delta I{L} % cdot V{IN(MAX)}}] [L{(B O O S T)}>frac{V{I N(M I N)}^{2} cdotleft(V{OUT }-V{I N(M I N)}right)}{f{S W} cdot I{OUT(M A X)} cdot Delta I{L} % cdot V{OUT }^{2}}] 此外，电感值还应足够大以防止次谐波振荡。为了简化环路补偿并优化线路调节和线路阶跃响应，建议选择最优电感值LOPTIMAL，公式为[L{OPTIMAL }=left(260+left(5.5 cdot V{OUT }right)right) cdot R{SENSE } cdot frac{1}{t{S W}}]。

（三）开关频率选择

RT频率调节引脚允许用户将开关频率从80kHz编程到400kHz。开关频率的选择是效率和组件尺寸之间的权衡。低频操作可通过减少MOSFET开关损耗来提高效率，但需要更大的电感和电容值；高频操作则可减小总解决方案尺寸，但会增加开关损耗。为了维持纹波电流幅度和次谐波稳定性，电感值应跟踪Rsense和开关周期T的乘积。一种实用的方法是在选择了RSENSE和L值后，调整开关频率以优化系统性能，公式为[f{S W( OPTIMAL )}=frac{left(260+left(5.5 cdot V{OUT }right)right) cdot R_{SENSE }}{L}]。

（四）功率MOSFET选择

LT8210需要四个外部N沟道功率MOSFET。在选择MOSFET时，应确保其最大VBR(DSS)和漏极电流(ID)额定值超过应用的最坏情况电压和电流条件，并留出安全余量。同时，要考虑功率损耗，选择能够最小化功率损耗的MOSFET。MOSFET的功率损耗主要来自导通损耗（I²R）和开关损耗。导通损耗在高电流和低电压时占主导地位，而开关损耗在低电流和高电压时更为显著。

（五）CIN和COUT选择

输入和输出电容器用于抑制调节器输入和输出的电压纹波。在选择CIN和COUT时，需要考虑电压纹波、ESR和RMS电流额定值。对于降压操作，CIN可通过公式[C{I N} cong frac{I{OUT(M A X)}}{Delta V{I N} cdot f{S W}} cdotleft(frac{V{OUT }}{V{I N}}right) cdotleft(1-frac{V{OUT }}{V{I N}}right)]计算，ESR应小于[frac{Delta V{IN}}{I{OUT(MAX) }}]，输入RMS电流可近似为[I{I N(RMS)}=I{OUT(MAX) } cdot frac{V{OUT }}{V{IN }} cdot sqrt{frac{V{IN }}{V{OUT }}}-1]。对于升压操作，COUT可通过公式[C{OUT (B O O S T)}=frac{I{OUT(M A X)} cdotleft(V{OUT }-V{I N(M I N)}right)}{Delta V{OUT } cdot f{sw } cdot V_{OUT }}]计算，ESR应满足相应要求，COUT还应能承受升压区域的最大RMS输出电流。

（六）其他组件

1. 自举电容器（CBST1，CBST2）：需要存储大约100倍顶部开关A和D所需的栅极电荷（QG），通常选择0.1μF至0.47μF、X5R或X7R、25V的电容器。GATEV CC到地的旁路电容应至少为CBST1、CBST2电容器值的十倍。
2. 自举二极管（DBST1，DBST2）：推荐使用额定电流为1A、反向恢复时间非常快（<50ns）的硅二极管。在直通模式下，低反向泄漏至关重要，应选择在最大工作温度下反向泄漏电流为10μA或更小的二极管。
3. EXTV CC、GATEV CC和VDD：GATEV CC应通过一个最小4.7μF、25V的陶瓷电容器旁路到地。当EXTV CC电压超过8V（典型值）且同时低于VINP电压时，GATEV CC将由EXTV CC调节。VDD引脚电压从GATEV CC线性调节到3.3V，应通过一个最小2.2μF的X5R/X7R电容器旁路到地。

五、典型应用案例

（一）10A，12V降压 - 升压（CCM）/8V至16V直通调节器

该应用案例展示了LT8210在不同模式下的高效运行。在CCM模式下，能够稳定输出12V电压；在直通模式下，输出电压范围为8V至16V。通过合理选择外部组件，如4.7μH的电感、合适的MOSFET和电容器，实现了高效、稳定的电源转换。

（二）2.5A，48V降压 - 升压调节器/36V至52V直通调节器

此案例适用于对输出电压和电流要求较高的应用。通过精心设计的电路和组件选择，LT8210能够在降压 - 升压和直通模式之间灵活切换，满足不同输入电压和输出负载的需求。

六、总结

LT8210以其丰富的功能、卓越的性能和灵活的应用模式，为电子工程师在电源设计领域提供了一个强大而可靠的解决方案。无论是在汽车、工业、电信还是航空电子等系统中，它都能发挥出重要作用。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择外部组件，以充分发挥LT8210的优势。希望通过本文的介绍，能帮助各位工程师更好地了解和应用LT8210，在电源设计中取得更好的成果。

你在使用LT8210进行设计时遇到过哪些挑战呢？或者你对它的某个特性有更深入的见解，欢迎在评论区分享交流。