LT8390：高性能4开关降压 - 升压控制器的详细解析

一、引言

在电子设计领域，电源管理是一个至关重要的环节。对于需要在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下稳定调节输出的应用场景，LT8390这款同步4开关降压 - 升压控制器无疑是一个优秀的选择。它具有诸多出色的特性，能广泛应用于汽车、工业、电信等多个领域。接下来，我们将对LT8390进行全面深入的剖析。

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二、产品特性

2.1 架构与电压适应能力

采用4开关单电感架构，这使得它能够适应输入电压高于、低于或等于输出电压的各种情况。无论是在复杂多变的电源环境中，还是在对电压稳定性要求极高的应用里，这种架构都能确保稳定的电压输出。

2.2 同步开关与高效性能

同步开关技术的运用，让其效率最高可达98%。这不仅能有效降低功耗，还能减少发热，提高系统的可靠性和稳定性。同时，其专有的峰值降压/峰值升压电流模式控制方案，为精确的电流控制提供了有力保障。

2.3 宽输入电压范围与高精度输出

输入电压范围为4V至60V，输出电压范围为1V至60V，且输出电压精度可达±1.5%，输入或输出电流精度在有监测的情况下可达±3%。如此宽的电压范围和高精度的输出，使得LT8390能够满足众多不同应用的需求。

2.4 低EMI设计

具备扩频频率调制功能，可有效降低电磁干扰（EMI）。在对电磁兼容性要求严格的应用中，这一特性显得尤为重要，能避免对其他设备产生干扰。

2.5 其他特性

还集成了高端PMOS负载开关驱动器、自举二极管等，并且在降压或升压模式下无顶部MOSFET刷新噪声。其开关频率可在150kHz至650kHz之间调节和同步，关机时输出与输入断开，同时提供了多种封装形式，如28引脚TSSOP和28引脚QFN（4mm × 5mm），还通过了AEC - Q100汽车应用认证。

三、电气特性

3.1 电源相关特性

• 输入电压范围：4V至60V，能适应不同的电源环境。
• 静态电流：在不同的使能状态下，输入和输出的静态电流都非常低，有助于降低功耗。

  3.2 线性调节器特性

• INTVCC：其调节电压为4.85V至5.15V，负载调节和线性调节性能良好，电流限制为80mA至160mA，欠压锁定阈值和滞后也有明确的规定。
• VREF：调节电压为1.97V至2.03V，负载调节和线性调节精度高，电流限制为2mA至3.2mA。

  3.3 控制输入/输出特性

• EN/UVLO：具有明确的关断阈值和使能阈值，以及相应的滞后电流。
• CTRL：可用于编程ISP/ISN电流限制，不同的电压范围对应不同的电流限制模式。

  3.4 负载开关驱动器特性

• LOADEN：有明确的阈值和滞后，能有效控制负载开关的通断。

  3.5 误差放大器特性

• 对满量程电流调节和1/10电流调节都有精确的控制，ISMON能准确监测电流。

  3.6 电流比较器特性

• 有最大电流检测阈值和反向电流检测阈值，能有效保护电路。

  3.7 故障保护特性

• 对FB过压、短路等故障有明确的阈值和滞后，PGOOD能及时反馈电源状态。

  3.8 振荡器特性

• 开关频率可通过RT引脚设置，还支持同步和扩频功能。

  3.9 区域转换特性

• 在不同的输入输出电压比下，能实现平滑的模式转换。

  3.10 NMOS驱动器特性

• 对TG1、TG2和BG1、BG2的驱动电阻、上升时间、下降时间等都有详细的参数规定。

四、工作原理

4.1 功率开关控制

通过四个功率开关A、B、C、D与电感L、电流检测电阻RSENSE、电源输入VIN和输出VOUT相连，根据输入输出电压比的不同，采用不同的电流模式控制，实现了在降压、降压 - 升压和升压区域之间的平滑过渡。具体分为四种状态：

• 峰值降压 - 降压区域：当VIN远高于VOUT时，开关C始终关闭，开关D始终打开，开关A和B交替工作，如同典型的同步降压调节器。
• 峰值降压 - 降压 - 升压区域：当VIN略高于VOUT时，开关C在开始的15%周期内打开，开关D在剩余的85%周期内打开，开关A和B根据电感电流情况交替工作。
• 峰值升压 - 降压 - 升压区域：当VIN略低于VOUT时，开关A在开始的85%周期内打开，开关B在剩余的15%周期内打开，开关C和D根据电感电流情况交替工作。
• 峰值升压 - 升压区域：当VIN远低于VOUT时，开关A始终打开，开关B始终关闭，开关C和D交替工作，如同典型的同步升压调节器。

  4.2 主控制回路

  通过电感检测电阻检测电感电流，将电流检测电压放大并与斜坡补偿信号相加，输入到降压和升压电流比较器中。根据峰值降压/峰值升压电流模式控制的状态，由降压逻辑或升压逻辑控制四个功率开关，实现对FB电压或ISP/ISN电流的调节。

  4.3 轻载电流操作

  在轻载时，LT8390可运行在全开关频率不连续导通模式或脉冲跳过模式，通过设置反向电流检测阈值，避免电感电流反向，提高效率。

  4.4 内部充电路径

  每个顶部MOSFET驱动器由其浮动自举电容偏置，当顶部MOSFET关闭时，通过集成的自举二极管由INTVCC充电。在降压或升压区域单独工作时，内部充电路径可确保自举电容充电到4.6V，使顶部MOSFET保持导通。

  4.5 关机和上电复位

  当EN/UVLO引脚低于关断阈值时，进入关机模式，静态电流小于2µA；当高于关断阈值时，唤醒启动电路，生成带隙基准，为内部INTVCC LDO供电。当INTVCC引脚充电高于上升UVLO阈值，EN/UVLO引脚通过上升使能阈值，且结温低于热关断温度时，进入使能模式，经过上电复位后，等待CTRL和LOADEN引脚信号开始开关操作。

  4.6 启动和故障保护

  启动过程分为多个状态，通过SS引脚的电压变化控制输出电压的软启动。在输出短路时，可通过连接不同阻值的电阻设置打嗝、锁存或持续运行三种故障保护模式。

五、应用信息

5.1 开关频率选择

开关频率在150kHz至650kHz之间选择，需要在效率和组件尺寸之间进行权衡。低频操作可降低MOSFET开关损耗，提高效率，但需要更大的电感和电容值；高频操作可减小总解决方案尺寸，适用于低功率应用。同时，在对噪声敏感的系统中，应选择合适的开关频率以避免干扰敏感频段。

5.2 开关频率设置

通过将SYNC/SPRD引脚接地，使用RT引脚到地的电阻设置开关频率。不同的电阻值对应不同的开关频率，具体可参考表格。

5.3 扩频频率调制

通过将SYNC/SPRD引脚连接到INTVCC，可实现±15%的三角扩频频率调制，有效改善电磁干扰性能。

5.4 频率同步

可使用SYNC/SPRD引脚将开关频率同步到外部时钟，驱动信号的占空比应在10%至90%之间，上升沿表示开关周期的开始。

5.5 电感选择

电感值与开关频率相关，较高的开关频率允许使用较小的电感和电容值。电感值直接影响纹波电流，可根据客户设定的纹波允许值计算最小电感值。同时，为保证稳定性，在占空比大于50%时，还需满足一定的电感要求。应选择低磁芯损耗、低直流电阻、能承受峰值电感电流且不饱和度的电感，最好使用屏蔽电感以减少辐射噪声。

5.6 RSENSE选择和最大输出电流

RSENSE根据所需输出电流选择，其在降压和升压区域的最大电流检测阈值决定了最大电感峰值电流。可根据不同区域的公式计算最大平均负载电流和最大电流检测电阻值，最终RSENSE值应低于计算值，并保留一定的余量。

5.7 功率MOSFET选择

需要四个外部N沟道功率MOSFET，应考虑其击穿电压、阈值电压、导通电阻、反向传输电容和最大电流等参数。根据不同开关在不同区域的工作情况，计算其最大功耗，并通过公式计算结温，确保MOSFET在安全温度范围内工作。

5.8 可选肖特基二极管选择

可选的肖特基二极管DB和DD可在功率MOSFET开关的死区时间内导通，防止同步开关的体二极管导通和存储电荷，提高转换器效率，降低开关电压应力。

5.9 CIN和COUT选择

输入和输出电容用于抑制电压纹波，应选择低ESR和高纹波电流额定值的电容。陶瓷电容应靠近调节器输入和输出放置，以抑制高频开关尖峰。根据不同区域的电流情况，计算输入和输出电容的纹波电压，选择合适的电容值。

5.10 INTVCC调节器

内部P沟道低压差调节器从VIN引脚产生5V的INTVCC电压，为内部电路和栅极驱动器供电。应使用至少4.7µF的陶瓷电容对其进行旁路，以提供MOSFET栅极驱动器所需的高瞬态电流。在高输入电压和高开关频率的应用中，需注意功率耗散和结温，可通过公式估算结温。

5.11 顶部MOSFET驱动器电源

顶部MOSFET驱动器由浮动自举电容偏置，自举电容需存储约100倍顶部开关所需的栅极电荷，通常使用0.1µF至0.47µF、X5R或X7R介质的电容。

5.12 编程VIN UVLO

通过从VIN到EN/UVLO引脚的电阻分压器实现VIN欠压锁定，可根据公式计算可编程的UVLO阈值。

5.13 编程输入或输出电流限制

通过在输入或输出功率路径中放置合适的电流检测电阻RIS，使用CTRL引脚编程输入或输出电流限制。当CTRL引脚电压在不同范围时，电流限制有不同的计算公式。同时，若RIS放置在特定位置，可能需要使用低通滤波器来减少电流纹波和稳定电流环路。

5.14 ISMON电流监测

ISMON引脚提供通过ISP/ISN电流检测电阻RIS的电流的缓冲监测输出，可用于并联应用中的电流共享。

5.15 负载开关控制

LOADEN和LOADTG引脚用于控制高端PMOS负载开关的通断，将LOADEN引脚拉低可关闭TG1和TG2，打开BG1和BG2，断开VC引脚与内部负载的连接，并关闭LOADTG。

5.16 高端PMOS负载开关选择

在需要负载开关控制的应用中，应选择合适的高端PMOS负载开关，考虑其漏源电压、栅源阈值电压和连续漏电流等参数。

5.17 编程输出电压和阈值

通过FB引脚和反馈电阻R3、R4可编程恒定电压输出，同时可设置输出过压阈值、PGOOD上下阈值和输出短路阈值。

5.18 电源GOOD（PGOOD）引脚

PGOOD引脚为开漏状态，当VFB在1.00V调节电压的±10%范围内时，引脚被拉低，可通过外部电阻上拉。

5.19 软启动和短路保护

通过在SS引脚连接外部电容可实现输出电压的软启动，内部12.5µA的上拉电流对电容充电，使输出电压平滑上升。SS引脚还可作为故障定时器，通过连接不同阻值的电阻到VREF引脚，可设置三种不同的故障保护模式。

5.20 环路补偿

LT8390使用内部跨导误差放大器，通过VC引脚的补偿电阻和电容优化控制环路响应和稳定性。对于典型的电压调节器应用，VC引脚使用10nF的补偿电容，并串联电阻以提高VC引脚的压摆率，确保在输入电源快速瞬变时保持更严格的输出电压调节。

5.21 效率考虑

开关调节器的功率效率等于输出功率除以输入功率乘以100%。LT8390电路中的主要损耗源包括DC I²R损耗、过渡损耗、INTVCC电流、CIN和COUT损耗以及其他损耗。在调整以提高效率时，输入电流是效率变化的最佳指标。

六、PCB布局检查清单

6.1 基本布局要求

• 采用专用的接地平面层，对于高电流应用，多层板可为功率组件提供散热。
• 接地平面层应无走线，且应尽可能靠近功率MOSFET所在层。

  6.2 组件布局

• 将CIN、开关A、开关B和DB放置在一个紧凑的区域，将COUT、开关C、开关D和DD放置在另一个紧凑的区域。
• 使用立即过孔将组件连接到接地平面，每个功率组件使用多个大过孔。

  6.3 电源平面

  使用平面用于VIN和VOUT，以保持良好的电压滤波和低功率损耗。

  6.4 铜填充

  将所有层的未使用区域用铜填充，将铜区域连接到任何DC网络（VIN或GND），以降低功率组件的温度上升。

  6.5 信号和功率接地分离

  将信号和功率接地分离，所有小信号组件应从底部返回暴露的GND焊盘，然后在靠近开关B和开关C源极的位置连接到功率GND。

  6.6 开关位置

  将开关A和开关C尽可能靠近控制器放置，保持PGND、BG和SW走线短。

  6.7 高dV/dT节点处理

  将高dV/dT的SW1、SW2、BST1、BST2、TG1和TG2节点远离敏感的小信号节点。

  6.8 电流路径

  开关A、开关B、DB和CIN电容形成的路径以及开关C、开关D、DD和COUT电容形成的路径应具有短的引线和PCB走线长度。

  6.9 电容连接

  输出电容的（ - ）端子应尽可能靠近输入电容的（ - ）端子连接。

  6.10 顶部驱动器电容连接

  将顶部驱动器升压电容CBST1紧密连接到BST1和SW1引脚，将CBST2紧密连接到BST2和SW2引脚。

  6.11 输入和输出电容连接

  将输入电容CIN和输出电容COUT紧密连接到功率MOSFET，这些电容承载MOSFET的交流电流。

  6.12 电流检测走线

  将LSP和LSN走线一起布线，最小化PCB走线间距，避免感测线穿过嘈杂区域，如开关节点。LSP和LSN之间的滤波电容应尽可能靠近IC，并使用Kelvin连接确保准确的电流检测，推荐使用低ESL感测电阻。

  6.13 VC引脚补偿网络连接

  将VC引脚补偿网络靠近IC连接在VC和信号接地之间，电容有助于过滤PCB噪声和输出电压纹波对补偿环路的影响。

  6.14 INTVCC旁路电容连接

  将INTVCC旁路电容CINTVCC靠近IC连接在INTVCC和功率接地之间，该电容承载MOSFET驱动器的电流峰值。在INTVCC引脚和功率接地旁边立即放置一个额外的1µF陶瓷电容可显著改善噪声性能。

七、典型应用

7.1 98%高效48W（12V 4A）微型降压 - 升压电压调节器

该应用展示了LT8390在特定功率和电压条件下的高效性能，通过合理选择电感、MOSFET、电容等组件，实现了稳定的电压输出和高转换效率。

7.2 98%高效300W（12V 25A）降压 - 升压电压调节器

适用于高功率应用，详细介绍了组件的选择和电路的设计，同时给出了效率与负载电流、功率损耗与负载电流的关系曲线，为实际应用提供了参考。

7.3 125W（25V 5A）太阳能电池板到12V电池充电器

将LT8390应用于太阳能充电领域，实现了从太阳能电池板到电池的高效充电，展示了其在可再生能源领域的应用潜力。

八、总结

LT8390作为一款高性能的同步4开关降压 - 升压控制器，凭借其出色的特性、灵活的工作模式和丰富的应用功能，在电源管理领域具有广泛的应用前景。无论是在汽车、工业、电信等传统领域，还是在太阳能充电等新兴领域，都能发挥重要作用。电子工程师在设计过程中，可根据具体应用需求，合理选择组件和设置参数，充分发挥LT8390的优势