LTC7841：高性能双相同步升压控制器解析

在电子设计领域，电源管理一直是至关重要的一环。对于需要高功率升压的应用，一款高效、稳定且功能丰富的升压控制器无疑是工程师们的理想之选。今天，我们就来深入探讨一下凌力尔特（现属ADI）的LTC7841双相同步升压控制器。

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一、产品概述

LTC7841是一款高性能的双相单输出同步升压转换器控制器，能够驱动两个N沟道功率MOSFET阶段异相工作。多相操作减少了输入和输出电容器的需求，并允许使用比单相等效电路更小的电感器。同步整流提高了效率，降低了功耗，减轻了散热要求，从而实现了高功率升压应用。其输出电压可通过符合PMBus标准的串行接口以0.2%的分辨率调节至高达60V，同时该接口还可用于读取故障状态、输入/输出电流、输入/输出电压和温度等信息。

二、主要特性

（一）宽输入电压范围

输入电压 (V{IN}) 范围为4.5V至60V，能够适应多种不同的电源环境。在 (V{IN}=12V) 时，全温度范围内总输出电压精度可达1%，为电源设计提供了高精度的保障。

（二）PMBus接口

具备PMBus兼容的串行接口，可实现对输出电压 (V_{OUT}) 的编程，最高可达60V，分辨率为0.2%。同时，还能以25Hz的刷新速率回读平均和峰值温度、电流以及电压，方便工程师实时监测系统状态。此外，该接口还可用于读取故障状态信息，及时发现并解决问题。

（三）灵活的频率控制

相锁频率范围为75kHz至850kHz，可根据实际应用需求进行灵活调整。同时，芯片的上电时间小于1ms，能够快速启动，响应系统需求。

（四）其他特性

• Power Good输出电压监测：通过PGOOD引脚，可以方便地监测输出电压是否在规定范围内，确保系统的稳定运行。
• 内部LDO供电：内部LDO可从VBIAS或 (EXTV CC) 为栅极驱动器供电，提供了灵活的供电方式。
• 低关断电流：关断电流 (I_{Q}<10μA)，在系统处于待机状态时，能够有效降低功耗。
• 热增强型封装：采用热增强型5mm x 6mm QFN封装，有助于提高芯片的散热性能，确保在高功率应用中的可靠性。

三、电气特性详解

（一）输入输出电压相关特性

• 输入电源电压：(V_{BIAS}) 输入电源工作电压范围在上升时为4.5V至60V，为芯片提供了广泛的电源适配性。
• 反馈电压：(V_{FB}) 调节的反馈电压在不同的 (VOUT_COMMAND) 设定值下，有不同的典型值，如在 (VOUT_COMMAND = 50%) 时，LTC7841J的典型值为1.2V，偏差在±0.012V以内。
• 输出电压：输出电压可通过PMBus接口进行精确调节，且具备较高的精度和稳定性。输出电压读回分辨率为13位，LSB步长为10mV，读回电压范围在连接二极管和不连接二极管时有所不同，分别可达60V和55V。

（二）电流相关特性

• 输入输出电流读回：输入和输出电流读回功能都具备13位分辨率，LSB步长为50μV，全量程感测电压为±1.638V。在 (V{SENSE +} – V{SENSE -}>25mV) 时，输出电流总未调整误差 (I_{OUT_TUE}) 为±2%，输入电流在不同条件下也有相应的误差指标。
• 其他电流参数：如反馈电流、(V_{OUTSNS}) 引脚泄漏电流、(SENSE +) 引脚电流等都有详细的电气指标，这些参数对于准确设计电路和评估系统性能至关重要。

（三）振荡器和锁相环特性

• 可编程频率：通过 (FREQ) 引脚连接不同的电阻或电压，可以实现不同的开关频率编程。例如，连接25k电阻时，典型频率为335kHz；连接60k电阻时，典型频率为400kHz；连接100k电阻时，典型频率为760kHz。
• 固定频率范围：最低固定频率 (f{LOW}) 为320kHz（(V{FREQ}=0V)），最高固定频率为585kHz（(V{FREQ}=INTV{CC})）。同时，芯片可同步到外部时钟，同步频率范围为75kHz至850kHz。

（四）其他电气特性

还包括栅极驱动器的相关参数（如上升时间、下降时间、上下拉电阻等）、(INTV_{CC}) 线性稳压器的特性（如电压、负载调整率等）、PGOOD输出的特性（如电压低、泄漏电流、跳闸电平、延迟等）以及PMBus接口的相关参数（如输入输出电压、泄漏电流、总线频率、总线时间等）。

四、工作原理

（一）主控制环路

LTC7841采用恒频、电流模式升压架构，两个控制器通道异相工作。在正常工作时，每个外部底部MOSFET在该通道的时钟设置RS锁存器时导通，当主电流比较器ICMP复位RS锁存器时关断。ICMP触发并复位锁存器的峰值电感电流由ITH引脚的电压控制，该电压是误差放大器EA的输出。误差放大器将VFB引脚（通过外部电阻分压器连接到输出电压 (V_{OUT}) 产生）的输出电压反馈信号与内部参考电压进行比较。当负载电流增加时，VFB相对于参考电压略有下降，导致EA增加ITH电压，直到每个通道的平均电感电流与新的负载电流要求相匹配。

（二）电源供应

顶部和底部MOSFET驱动器以及大多数其他内部电路的电源来自 (INTV{CC}) 引脚。当 (EXTV{CC}) 引脚连接的电压小于4.8V时，VBIAS LDO（低压差线性稳压器）从VBIAS向 (INTV{CC}) 提供5.4V电源；当 (EXTV{CC}) 高于4.8V时，VBIAS LDO关闭，(EXTV{CC}) LDO开启，从 (EXTV{CC}) 向 (INTV_{CC}) 提供5.4V电源。

（三）关断和待机模式

• 关断模式：通过RUN引脚可以关闭LTC7841的两个内部控制器。将该引脚拉低至1.28V以下，将关闭两个相位的主控制环路和串行接口；拉低至0.7V以下，将禁用两个通道和大多数内部电路，包括 (INTV_{CC}) LDO，此时芯片的静态电流仅为8μA。
• 待机模式：通过清除OPERATION命令中的ON位可以进入待机模式。待机模式下，两个相位的主控制环路关闭，但ADC和PMBus仍保持活动状态，不过遥测数据的刷新率降至1Hz。退出待机模式时，所有故障将被复位，ALERT引脚恢复正常。

（四）启动过程

启动时，控制器的输出电压 (V{out}) 由SS引脚的电压控制。当SS引脚电压小于内部参考电压时，LTC7841将VFB引脚电压调节到SS引脚电压，而不是参考电压。通过在SS引脚连接一个外部电容器到SGND，可以实现软启动功能。内部10μA上拉电流对该电容器充电，在SS引脚产生一个电压斜坡，随着SS电压从0V线性上升到参考电压（甚至超过参考电压达到 (INTV{CC})），输出电压平稳地上升到最终值。

（五）轻载运行模式

LTC7841在低负载电流时可以进入高效突发模式（Burst Mode）、恒频脉冲跳过模式或强制连续导通模式。

• 突发模式：将PLLIN/MODE引脚接地可选择突发模式。在该模式下，电感中的最小峰值电流设定为最大感测电压的约30%。当平均电感电流高于所需电流时，误差放大器EA将降低ITH引脚的电压。当ITH电压降至0.425V以下时，内部睡眠信号变为高电平，两个外部MOSFET关闭，此时芯片的静态电流仅为800μA，负载电流由输出电容器提供。当输出电压下降到一定程度时，睡眠信号变为低电平，控制器恢复正常操作。
• 强制连续模式：将PLLIN/MODE引脚连接到 (INTV_{CC}) 可选择强制连续模式。在该模式下，电感电流在轻载或大瞬态条件下允许反向，峰值电感电流由ITH引脚的电压决定。虽然该模式在轻载时效率低于突发模式，但具有输出电压纹波小、对音频电路干扰小的优点。
• 脉冲跳过模式：将PLLIN/MODE引脚连接到大于1.2V且小于 (INTV_{CC}-1.3V) 的直流电压可选择脉冲跳过模式。在该模式下，在轻载时LTC7841以PWM脉冲跳过模式工作，可保持恒频操作直到设计最大输出电流的约1%。在非常轻的负载下，电流比较器ICMP可能会在几个周期内保持触发状态，迫使外部底部MOSFET在相同数量的周期内保持关闭状态。该模式与强制连续模式类似，具有低输出纹波、低音频噪声和减少RF干扰的优点，且在低电流时的效率高于强制连续模式，但远低于突发模式。

（六）频率选择和锁相环

开关频率的选择是效率和元件尺寸之间的权衡。低频操作可以通过减少MOSFET的开关损耗来提高效率，但需要更大的电感和/或电容来保持低输出纹波电压。LTC7841的开关频率可以通过FREQ引脚进行选择。如果PLLIN/MODE引脚未由外部时钟源驱动，FREQ引脚可以接地、连接到 (INTV{CC}) 或通过外部电阻进行编程。将FREQ引脚接地选择350kHz，连接到 (INTV{CC}) 选择535kHz，在FREQ和SGND之间放置一个电阻可以将频率编程在50kHz至900kHz之间。

LTC7841还具备一个锁相环（PLL），可将内部振荡器同步到连接到PLLIN/MODE引脚的外部时钟源。典型的捕获范围约为55kHz至1MHz，确保能锁定75kHz至850kHz范围内的外部时钟源。通过FREQ引脚设置自由运行频率接近所需的同步频率，可以实现快速锁相。

（七）其他工作特性

• (V{IN } >) 调节 (V{OUT }) 时的操作：当 (V{IN}) 上升到调节的 (V{out}) 电压以上时，升压控制器的行为会根据模式、电感电流和 (V{IN}) 电压而有所不同。在强制连续模式下，一旦 (V{IN}) 上升到 (V_{OUT}) 以上，控制环路会使顶部MOSFET持续导通；在脉冲跳过模式和突发模式下，也有各自不同的响应机制。
• 过压保护：当输出反馈电压 (V_{FB}) 大于其正常调节点（由DAC设置）的110%时，发生过压事件。在过压事件期间，无论选择哪种工作模式，TG1/TG2将持续导通，直到过压条件消除。
• BOOST电源刷新和内部电荷泵：每个顶部MOSFET驱动器由浮动自举电容器CB偏置，通常在底部MOSFET导通时通过外部二极管在每个周期内对其进行充电。在启动时，如果底部MOSFET在UVLO变低后200μs内未导通，将强制其导通约400ns，以确保顶部MOSFET能够充分增强。内部电荷泵可在强制连续模式和脉冲跳过模式下持续工作，在突发模式下，睡眠期间关闭，唤醒时启用，正常情况下可提供55μA的充电电流。
• 内部参考DAC：LTC7841具有一个内部9位DAC，可将内部参考电压设置为0至2.4V范围内的任何值，分辨率为0.2%/bit。通过PMBus接口使用MFR_VOUT_COMMAND命令可以更改该数字值。当检测到参考电压发生变化时，参考电压将以连接到 (CSLEW) 引脚的电容值所设定的速率从当前值斜坡上升到新值，同时也可以通过PMBus接口使用MFR_CONFIG命令更改斜率速率。
• 遥测回读：LTC7841集成了一个13位ADC，可监测并转换输入和输出电压、输入和输出电流以及管芯温度或远程感测温度。这些值以25Hz的速率刷新，并可通过PMBus接口读取。每个遥测测量都有一个峰值监测器，可提供自监测开始以来的最高测量值，可通过MFR_CLEAR_PEAKS命令、写入单个峰值寄存器或循环RUN引脚来重置该监测器。
• 温度监测和热警告/关机：LTC7841具有两个内部管芯温度监测器，一个由ADC数字化并通过READ_TEMPERATURE_1命令报告，另一个用于在管芯温度超过170°C时关闭芯片。还可以通过将外部温度传感元件连接到TSNS引脚来实现外部温度传感。通过MFR_CONFIG寄存器可以选择报告内部管芯温度还是外部温度传感电压。当内部管芯温度超过150°C时，STATUS_WORD中的过温警告位将被设置，ALERT引脚将拉低以提醒PMBus主机。

五、应用信息

（一）电流感测方案

LTC7841可以配置为使用电感器DCR（直流电阻）感测或分立感测电阻（RSENSE）进行电流感测。

• 感测电阻电流感测：使用离散电阻的典型感测电路中，RSENSE的值根据所需的输出电流来选择。电流比较器具有最大阈值 (V{SENSE(MAX) })，当ILIM引脚接地、浮空或连接到 (INTV{CC}) 时，最大阈值分别设置为50mV、75mV或100mV。根据这些参数可以计算出感测电阻的值。在低 (V_{IN }) 和非常高电压输出应用中，由于升压调节器在占空比大于50%时需要内部补偿以满足稳定性标准，最大电感电流和相应的最大输出电流水平将降低。
• 电感器DCR感测：对于在高负载电流下需要最高效率的应用，LTC7841能够感测电感器DCR上的电压降。选择合适的外部R1||R2 • C1时间常数，使其等于L/DCR时间常数，可以使外部电容器上的电压降等于电感器DCR上的电压降乘以R2/(R1 + R2)。需要注意的是，电感器的DCR值会随温度变化，因此在选择元件时需要考虑温度系数的影响。虽然DCR感测在重负载时具有较高的效率，但在轻负载时可能会有稍高的功率损耗。

（二）元件选择

• 电感器值计算：操作频率和电感器选择相互关联，较高的操作频率允许使用较小的电感和电容值，但会降低效率，因为会增加MOSFET的栅极电荷和开关损耗。电感值直接影响纹波电流，合理设置纹波电流可以在满足输出电压纹波要求的前提下，选择合适的电感值。一般来说，可将纹波电流设置为 (Delta I{L}=0.3(I{MAX}))，最大 (Delta I{L}) 发生在 (V{IN }=1 / 2 ~V_{OUT }) 时。选择电感时，还应考虑其对低电流操作和过渡到突发模式的影响。
• 功率MOSFET选择：每个控制器需要选择两个外部功率MOSFET，一个用于底部（主）开关，一个用于顶部（同步）开关。由于 (INTV{CC}) 电压通常为5.4V，因此在大多数应用中必须使用逻辑电平阈值MOSFET，同时要关注 (BV{DSS}) 规格。选择功率MOSFET时，需要考虑导通电阻 (R{DS(ON)})、米勒电容 (C{MILLER})、输入电压和最大输出电流等因素。在连续模式下，根据输出电压和输入电压可以计算出顶部和底部MOSFET的占空比，进而计算出它们的功率损耗。在不同的输入电压下，选择合适的MOSFET参数可以提高效率。
• 输入和输出电容选择：在升压转换器中，输入纹波电流相对较低，输入电容 (C{IN}) 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。输出电流是不连续的，因此 (C{OUT }) 必须能够降低输出电压纹波，选择输出电容时需要考虑ESR（等效串联电阻）和电容值对输出电压纹波的影响。LTC7841采用2相单输出配置，两个通道异相操作，可大大降低输出电容的纹波电流，从而可以适当放宽对电容ESR的要求。可以根据输出电压和输入电压范围确定占空比范围，然后参考归一化输出电容纹波电流曲线选择合适的电容纹波电流额定值。

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