LT8603：高度灵活的四输出调节器解决方案

在电子设计领域，电源管理芯片的性能和功能对于系统的稳定性和效率起着至关重要的作用。LT8603作为一款高度灵活的四输出调节器，为工程师们提供了强大的电源解决方案。本文将深入探讨LT8603的特性、工作原理、应用信息以及典型应用，帮助工程师更好地了解和应用这款芯片。

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一、产品概述

LT8603是一款高度灵活的四输出调节器，它结合了两个高输入电压能力的单片降压开关调节器、一个低输入电压能力的单片降压调节器和一个升压控制器，能够在占用最小电路板空间的同时满足广泛的应用需求。该芯片具有以下显著特点：

1. 灵活的电源系统：能够提供四个稳压输出，即使在 (V{BAT} ll V{OUT}) 的情况下也能正常工作。
2. 多通道输出：包括两个高压同步降压调节器（输入电压范围3V - 42V，输出电流分别可达2.5A和1.5A）、一个低压同步降压调节器（输入电压范围2.6V - 5.5V，输出电流可达1.8A）以及一个升压控制器。
3. 低静态电流：可选的Burst Mode®操作允许在高压通道激活时实现低至28µA的静态电流。
4. 可编程功能：具有可编程的上电复位功能和独立通道的电源良好指示。
5. 宽开关频率范围：降压开关频率范围为250kHz至2.2MHz。
6. 封装与认证：采用40引脚QFN（6mm × 6mm）封装，并且通过了AEC - Q100汽车应用认证。

二、电气特性

（一）偏置和内部调节器

• 通道1、2和3的最小工作 (V{IN}) 为2.7V - 3.0V，启动时最小 (V{IN}) 为3.1V - 3.3V；通道4的最小工作 (V{IN}) 为3.0V - 3.2V，启动时最小 (V{IN}) 为4.0V - 4.15V。
• 关机时 (V{IN}) 静态电流在 (V{BIAS} = 0V)，(EN/UVLO = 0.4V) 条件下为0.1 - 1μA。
• 总工作电流在不同通道激活和空载情况下有所不同，例如 (V_{BATT} = 12V) 时，通道1和2激活且空载为28μA，所有通道激活且空载为50μA。

（二）振荡器

• 开关频率可通过RT引脚连接的电阻进行编程，不同等级（E、I、J）和不同RT值对应不同的开关频率。例如，RT = 28.7kΩ时，E、I - 等级的开关频率为1.75 - 1.8MHz，J - 等级为2.2MHz。
• SYNC输入频率范围为0.25 - 2.2MHz，输入电压低为0.3V，高为1.2V。

（三）各通道特性

每个通道都有其独特的反馈电压、输入电流、线路调节、峰值电流限制等特性。例如，通道1的反馈电压在E - 、I - 等级为0.985 - 1.015V，J - 等级为0.98 - 1.015V；SW1峰值电流限制为2.0 - 3.7A。

三、工作原理

（一）启动过程

当 (EN/UVLO) 电压高于阈值时，LT8603的 (INTV{CC}) 调节器对其输出电容充电，为内部芯片电路供电。如果 (BIAS) 高于3.1V，(BIAS) 为 (INTV{CC}) 调节器提供电流，以降低 (V{IN}) 静态电流。升压控制器通过 (FSEL4A) 和 (FSEL4B) 引脚的逻辑高电平启用，(INTV{CC4}) 调节器对其输出电容充电，当 (INTV_{CC4}) 电压超过4.0V时，升压控制器的栅极驱动器开始向外部MOSFET提供栅极驱动脉冲。

（二）各通道工作模式

1. 高压降压调节器（通道1和2）：每个高压通道是一个同步降压调节器，从独立的 (PVIN) 引脚获取电源。内部顶部功率MOSFET在每个振荡器周期开始时导通，当流经顶部MOSFET的电流达到由误差放大器确定的水平时关闭。误差放大器通过与FB引脚相连的外部电阻分压器测量输出电压，以控制顶部开关的峰值电流。
2. 低压降压调节器（通道3）：低压通道也是一个同步降压调节器，(PVIN) 引脚具有2.35V的欠压锁定功能。顶部功率MOSFET在每个振荡器周期开始时导通，当流经顶部MOSFET的电流达到由误差放大器确定的水平时关闭。该通道具有RUN3引脚用于电源排序，以及内部软启动电路，可在1ms内将输出电压升高。
3. 升压控制器（通道4）：升压控制器包括误差放大器、环路补偿、电流比较器、开关控制逻辑和栅极驱动器。通过 (FSEL4A) 和 (FSEL4B) 引脚控制其启用和时钟频率选择。外部N沟道MOSFET由内部时钟导通，当电流比较器感测到的电感电流超过阈值时关闭。

（三）多相开关

振荡器产生两个相位相差180°的时钟信号，通道1和3由CLK1驱动，通道2和4由CLK2驱动。通道4的时钟可以选择CLK2的÷1、÷2或÷5版本。多相操作可以降低峰值输入电流，提高输入电流频率，从而减少输入电流纹波和所需的输入电容。

（四）欠压锁定

(EN/UVLO) 引脚用于将LT8603置于关机状态，将输入电流降低到小于1μA。该引脚具有精确的1.2V阈值，通过与外部电阻分压器相连，可实现可编程的 (V_{IN}) 欠压锁定功能。50mV的滞后电压可防止开关噪声意外关闭LT8603。

（五）电源良好比较器

通道1、2和3的电源良好比较器在反馈引脚电压偏离其参考电压超过8%时触发，通道4的电源良好比较器在输出电压低于其参考电压超过8%时指示。PG输出引脚为开漏输出，当相应输出超出调节范围时拉低。

（六）上电复位定时器

LT8603包含一个上电复位定时器，其超时时间可通过CPOR引脚连接的外部电容进行调整。当 (POREN) 引脚高于1.2V时，定时器启动。RST引脚为开漏输出，具有约2V的弱上拉，在定时器超时前保持低电平。

四、应用信息

（一）系统架构

LT8603将三个降压转换器和一个升压控制器相结合，可配置为提供多达四个稳压输出。四个通道独立供电，连接方式多样。例如，升压输出可用于为降压转换器提供输入电压，即使在升压输入电压低于稳压降压输出时（如汽车冷启动情况），也能实现三个紧密稳压的输出。

（二）(V_{IN}) 电压范围

LT8603内部电路和降压转换器启动的 (V{IN}) 最小电压为3.1V，但升压控制器和 (INTV{CC4}) 调节器启动至少需要4V。启动后，升压控制器可配置为为 (V_{IN}) 和 (PVIN) 引脚供电，此时升压控制器的输入电压可以低于3V。

（三）启用和欠压锁定

(EN/UVLO) 引脚可用于编程最小系统启动电压或欠压锁定（UVLO）电压，其内部阈值为1.2V，具有50mV的滞后。

（四）开关频率

所有四个通道共享一个振荡器，降压通道以振荡器频率开关，升压通道可以以 (f{OSC})、(f{OSC}/2) 或 (f_{OSC}/5) 的频率开关。开关频率范围应在选择振荡器频率之前确定，低频通常提供更好的效率和更宽的工作范围，高频则使用更小的组件并将开关噪声移至敏感频段之外，但效率较低。振荡器频率可通过将电阻从RT引脚连接到地进行编程，范围为250kHz至2.2MHz。

（五）模式选择和同步

通过将SYNC引脚连接到低于0.3V的电压（如地）可选择低纹波Burst Mode操作；连接到高于1.2V的电压（如 (INTV_{CC})）可选择脉冲跳过操作。将SYNC引脚与250kHz至2.2MHz的外部时钟脉冲序列驱动，可使LT8603同步到外部频率，此时LT8603将以脉冲跳过模式运行。

（六）(INTV_{CC}) 调节器

(INTV{CC}) 为振荡器和参考等公共电路供电，其主要电流需求来自高压降压转换器的栅极驱动器。启动时由 (V{IN}) 供电，如果 (BIAS) 至少为3.1V，则从 (BIAS) 汲取电流。将 (BIAS) 引脚连接到开关调节器通道可提高效率、降低芯片功耗和睡眠电流。

（七）升压控制器

1. 功能描述：通道4是一组与外部组件连接形成升压转换器的功能元件。误差放大器将输出电压的一部分与800mV参考电压进行比较，输出 (I{LIM4}) 到电流比较器以设置峰值电流。电流比较器通过ISP4和ISN4引脚之间的小感测电阻感测电感电流，跳闸电平由误差放大器输出 (I{LIM4}) 和斜率补偿信号 (SLOPE4) 设置，最大跳闸电平为50mV。
2. 输出电压设置：通过将FB4引脚连接到输出的电阻分压器来设置升压控制器的输出电压。
3. 升压配置：升压控制器可配置为标准升压调节器，当电池电压下降到一定值以下时，升压控制器将激活以维持输出电压。该配置的一个限制是无法为升压输出提供短路保护，如需短路过载保护，可考虑SEPIC配置。
4. SEPIC配置：SEPIC配置具有两个主要优点，一是像降压/升压一样，可在任何输入电压下调节到准确的输出电压；二是提供短路保护和关机时0V输出。缺点是电路更复杂，需要额外的组件。

（八）降压调节器

1. 输出电压设置：通过从输出到相关FBx引脚的电阻分压器设置降压通道的输出电压。
2. 工作频率和输入电压范围：每个降压调节器的最小导通时间和最小关断时间对可实现的占空比范围和工作频率施加限制。
3. 电感选择：电感选择涉及电感值、饱和电流、串联电阻和磁损耗。选择合适的电感值可根据特定公式计算，同时要确保电感的RMS电流额定值大于应用的最大预期输出负载，饱和电流额定值高于负载加一半纹波电流。
4. 短路输出保护：如果底部MOSFET电流在时钟周期开始时超过谷底电流限制，顶部MOSFET将保持关闭，直到过流情况消除。
5. 输入电容选择：降压转换器从输入电源以脉冲形式吸取电流，需要输入电容来减少输入电压纹波和最小化EMI。
6. 输出电容选择：输出电容用于过滤电感电流以产生低电压纹波的输出，并存储能量以最小化瞬态负载期间的下垂和过冲。
7. 升压电容选择：高压通道需要高于 (PVIN) 的电压来驱动顶部NFET开关的栅极，通过在每个通道的BST和SW引脚之间连接电容可创建约3.3V的电压。
8. RUN、软启动、跟踪：除了控制整个芯片的全局 (EN/UVLO) 引脚外，每个通道都有自己的独立控制引脚。低压通道的RUN引脚具有1.2V的固定内部阈值，超过该阈值时启动软启动。通道1和2的TRKSSx控制引脚可用于以受控方式提升每个输出，实现输出电压跟踪和可编程输出软启动功能。
9. Burst Mode操作：将SYNC引脚保持低电平以选择Burst Mode操作，LT8603将在轻载时自动转换到Burst Mode以实现最佳效率。

（九）一般功能

1. 电源良好比较器：每个LT8603通道都有一个电源良好比较器，其开漏输出引脚PGx在相应反馈电压偏离参考电压超过8%时拉低。
2. 上电复位定时器：LT8603提供可编程的复位定时器，通过CPOR引脚连接的电容可调整上电复位超时时间。
3. 排序：LT8603在每个通道的输出排序方面提供灵活性，包括上电复位定时器。每个通道都有电源良好输出和输入控制引脚，可实现复杂的排序功能。

（十）PCB布局

为了确保LT8603的正常运行和最小化EMI，在印刷电路板布局时需要注意以下几点：

• 对于每个降压调节器，输入电容形成的电流环路应尽可能小，将输入电容靠近 (PVIN) 引脚和相邻的GND引脚放置。
• 升压控制器输出环路（包括二极管和输出电容组件）的 (di/dt) 最高，应将涉及二极管和输出电容的环路保持尽可能小。
• 在应用电路下方的层放置局部、连续的接地平面，将SW和BST节点尽量缩小，以减少对敏感走线的噪声耦合。
• 最小化连接到RT和所有FB引脚的走线，并根据需要提供接地屏蔽，以减少对这些敏感节点的噪声耦合。
• 封装底部的暴露焊盘必须与电路板接地良好的电气和热连接，为了获得最佳性能，应最大化电路板接地平面和热过孔。

（十一）热考虑

LT8603的暴露焊盘是将热量从硅芯片传导到PCB板和周围空气的主要路径。应在器件下方放置热过孔，将热量传导到内部接地平面和电路板背面。多个小过孔比几个大过孔效果更好，因为铜是比可能填充过孔的焊料更好的导体。电路板平面将热量分布到更大的区域，从而降低封装到空气的热阻。良好的设计可以实现22°C/W的有效 (θ_{JA})。随着环境温度接近最大结温额定值，应降低最大负载电流。

五、典型应用

（一）首页应用详情

展示了一个具体的电路应用，包括各个组件的参数和连接方式，以及启动序列的波形图。该应用可在汽车冷启动等场景中提供稳定的电源输出。

（二）通道4配置为SEPIC的四稳压输出

将通道4配置为SEPIC转换器，可提供四个稳压输出，适用于需要更复杂电源配置的应用。

（三）通道4由通道2驱动的四稳压输出

通道4由通道2驱动，实现四个稳压输出，这种配置可以根据具体应用需求灵活调整电源分配。

（四）通道4提供48V输出的四稳压输出

适用于需要高电压输出的应用场景，展示了LT8603在不同输出电压需求下的灵活性。

六、总结

LT8603作为一款高度灵活的四输出调节器，具有丰富的功能和出色的性能。它能够满足多种应用场景的需求，无论是汽车电子、工业控制还是其他领域，都能提供稳定可靠的电源解决方案。工程师在使用LT8603时，需要根据具体应用需求合理选择组件参数、配置工作模式，并注意PCB布局和热管理等方面，以充分发挥该芯片的优势。你在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用难题？你对电源管理芯片的发展趋势有什么看法？欢迎在评论区分享你的经验和观点。